Chimica organica

Secondo semestre: chimica organica

Capitoli: 1-Introduzione alla chimica organica e 2-Gli alcani

Lezione 1 – 02 marzo 2022

Chimica organica

È la chimica dei composti viventi; i quali, a differenza dei non viventi, sono caratterizzati da:

• Varietà: i viventi sono molto più numerosi dei non viventi.
• Complessità: sono costituiti da molecole abbastanza complesse.
• Necessità di riprodursi.

L’atomo di C è l’elemento ideale, ma non è il più abbondante (l’N è molto più abbondante, così come l’H); è l’elemento ideale (insieme a H, N, S, P) perché ha diverse caratteristiche:

• È abbastanza abbondante.
• Può formare fino a 4 legami covalenti stabili.
• Può scegliere varie ibridazioni quindi varie geometrie con questi quattro legami.
• È di elettronegatività intermedia, quindi forma sia composti polari che apolari.
• Il legame C-C è forte, ed è l’unico adatto a formare lunghe catene, anelli.

Il carbonio ha proprio la capacità di ibridarsi in modi diversi, quindi di formare legami con geometrie diverse.

Simbologia in chimica organica

Quale significato ha questo disegno?

A quale molecola corrisponde?

Cominciamo dai composti organici più semplici: gli alcani.

Ogni atomo al suo stato naturale ha una propria configurazione elettronica, la configurazione elettronica fondamentale dell’atomo di C (numero atomico 6): 1s², 2s², 2p².

Gli orbitali sono caratterizzati dai numeri quantici.

Gli orbitali atomici fondamentali non hanno la geometria adatta per formare legami covalenti efficaci; il carbonio li “rimescola” per formare dei nuovi orbitali detti orbitali ibridi.

Nella configurazione fondamentale del C potrei fare solamente due legami covalenti, in più hanno un angolo di 90° e essendo vicini tendono a respingersi = situazione non ideale per creare legami.

Orbitali ibridi del carbonio

Ibridi sp³

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È la situazione migliore per creare 4 legami covalenti: prendendo il livello 2 si “mescolano” tra loro gli orbitali con una funzione lineare ottenendo 4 nuove funzioni (orbitali) che hanno il vantaggio di essere uguali in energia e di avere una nuova forma (una via di mezzo tra l’orbitale s e p. Ottengo così un tetraedro in cui le nuvole elettroniche in questa geometria si trovano nella posizione più lontana possibile l’una dall’altra.

L’angolo del tetraedro è di 109°.

Ibridi sp²

È la formazione per avere 3 legami, si ha una geometria trigonale planare: l’angolo in questo caso è di 120°; però l’ibridazione avviene in un altro modo, si ibridano tra loro 1 orbitale s e 2 orbitali p (diretti verso i vertici del trigonale planare), in questo modo “avanza” un 2p; il quale rimane semi occupato ortogonale al piano degli altri tre utile per i legami π, gli altri rimangono a fare i legami nel piano occupato (legami sigma).

Ibridi sp

Ibridano due nuovi orbitali ibridi sp con un angolo di 180° l’uno dall’altro; gli altri due orbitali 2p rimangono ortogonali rispetto al piano.

Uso degli orbitali ibridi nella formazione dei legami covalenti

Orbitali ibridi sp³

Tutti gli atomi ibridano. Gli orbitali ibridi sp³ sono adatti a formare legami quando l’atomo è circondato da 4 nuvole elettroniche (siano esse elettroni di legame o doppietti di non legame).

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Orbitali ibridi sp²

Gli orbitali ibridi sp² sono adatti a formare legami quando l’atomo è circondato da 3 nuvole elettroniche (siano esse elettroni di legame o doppietti di non legame).

Si possono così formare dei legami covalenti sigma e 1 legame covalente π che è più debole dei legami sigma (sono più suscettibili di reazioni. Questo legame non è centrato sull’asse di legame, ma è posizionato sulla zona sopra e sotto il piano individuato dai legami sigma.

Orbitali ibridi sp

Gli orbitali ibridi sp sono adatti a formare legami quando l’atomo è circondato da 2 nuvole elettroniche (siano esse elettroni di legame o doppietti di non legame).

Si possono così formare dei legami covalenti sigma e due legami covalenti π.

Questi legami non sono centrati sull’asse di legame, ma nella zona sopra-sotto e davanti-dietro rispetto all’asse del legame sigma.

Week 1 - alcani 1

Gli alcani

Gli alcani sono i più semplici composti organici, hanno una formula bruta composta solo da C e H.

Il metano

Il primo composto di cui ci occuperemo sarà il metano.

La sua formula bruta è CH₄, il suo nome chimico “metano” è composto da due parti:

• Il prefisso MET: indica il numero di atomi di C presenti in questa molecola; “met” in chimica organica indica 1 atomo di carbonio.
• La desinenza ANO: indica la classe chimica, il gruppo funzionale, in questo caso appunto quello degli alcani.

La cosa interessante del metano è la formula di struttura, che non solo mi dice quanti atomi ci sono, ma anche come sono legati fra loro, nel caso del metano la formula di struttura è:

Si vede chiaramente l’atomo di C centrale che lega con 4 legami covalenti sigma i 4 atomi di H.

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Ma come possiamo sapere che questa sia l’unica formula di struttura possibile?

Questa è l’unica che soddisfa i requisiti delle valenze degli atomi in questione (C e H); infatti:

• L’idrogeno: ha valenza 1, può formare un solo legame.
• Il carbonio: ha valenza 4.

La rappresentazione di formula di struttura è più realistica: è una proiezione stereochimica; è più realistica perché non è piatto: nella struttura del metano il carbonio assume un’ibridazione in sp³; si trova quindi al centro di una geometria tetraedrica a cui vertici si trovano gli idrogeni. Gli angoli non sono tutti di 90° ma sono quelli di un tetraedro, quindi di circa 109°.

Per la rappresentazione si inizia mettendo:

• Tre atomi sul piano del foglio.
• Un atomo di H che sporge sopra al piano.
• Un atomo di H che si trova dietro al piano.

Per quanto riguarda la rappresentazione tridimensionale viene meglio indicata guardando il modello; mentre quella più a destra è la cosiddetta rappresentazione CPK, che mostra gli atomi come sono davvero: delle sfere di elettroni più o meno grosse a seconda del numero atomico.

Le stesse tipologie di rappresentazioni possono essere utilizzate per rappresentare qualsiasi alcano.

L’etano

Se invece che avere una molecola di C ne avessi 2 otterrei l’etano, la cui formula bruta è C₂H₆.

• Il prefisso ET: indica il numero di atomi di C presenti in questa molecola; “et” in chimica organica indica 2 atomo di carbonio.
• La desinenza ANO: indica la classe chimica, il gruppo funzionale, in questo caso appunto quello degli alcani.

In questo caso la formula di struttura sarà fatta in questo modo:

In questo caso nella formula di struttura troviamo i due atomi di C legati insieme da un legame covalente di tipo sigma e gli atomi di H vanno a riempire le valenze rimaste disponibili.

Il propano

Se vado avanti e aggiungo anche il terzo atomo di carbonio ottengo il propano, la cui formula bruta è C₃H₈.

• Il prefisso PROP: indica il numero di atomi di C presenti in questa molecola; “prop” in chimica organica indica 3 atomi di carbonio.
• La desinenza ANO: indica la classe chimica, il gruppo funzionale, in questo caso appunto quello degli alcani.

In quest’altro caso la formula di struttura sarà:

La formula di struttura è analoga alle precedenti, si nota che il C centrale ha già due valenze occupate da due C, per questo si legherà con solo due atomi di H. La catena carboniosa non è lineare, dritta così come la rappresentazione grafica vorrebbe farci credere, gli atomi sono disposti creando angoli ottusi, di tetraedri, quindi la catena assume una forma a “zigzag”.

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Il butano

Aggiungendo anche il quarto atomo di C otterrò il butano, la cui formula bruta è C₄H₁₀.

• Il prefisso BUT: indica il numero di atomi di C presenti in questa molecola; “but” in chimica organica indica 4 atomi di carbonio.
• La desinenza ANO: indica la classe chimica, il gruppo funzionale, in questo caso appunto quello degli alcani.

In questo caso la formula di struttura sarà fatta in questo modo:

Serie di alcani lineari

Proseguendo in questo modo ampliando la catena dei carboni, otterremo la serie completa degli alcani lineari (o normali); ovvero composti che sono costituiti da un numero naturale crescente di atomi di carbonio aventi i loro rispettivi nomi.

Solo i primi quattro sono composti da prefissi storici, vanno quindi mantenuti e di imparati a memoria; per quanto riguarda gli altri è molto più semplice capire da quanti atomi di carbonio è composta la catena perché vengono utilizzati i prefissi derivanti dei numeri greci.

Osservando le formule brute possiamo facilmente renderci conto che c'è un certo rapporto tra il numero di atomi di carbonio e quelli di idrogeno:

C_nH_2n+2

Quando scriviamo le formule di alcani con un elevato numero di atomi di carbonio può diventare “scomodo”, per questo esistono diversi modi per rendere più compatta la formula:

• Compattare i gruppi centrali: mettendo tra parentesi C, vale per la formula di struttura.
• Compattare la formula semplificata: sempre mettendo tra parentesi i CH₂.
• Semplificando ulteriormente con un “disegno”: i C sono dei puntini uniti tra loro da segmenti che segnano i legami carbonio. I legami H e i legami C-H non vengono mostrati, vengono totalmente sottintesi (concetto automatico sulla valenza).

I puntini non sono allineati per comodità (più facili da contare) e perché sappiamo che il modello è effettivamente a “zigzag”.

A questo punto si può capire a cosa equivale la “spezzata iniziale”.

Basta contare le estremità dei segmenti per capire automaticamente che: ci sono 12 atomi di C, i legami sono tutti semplici quindi si tratta di un alcano e avendo 12 C avrò quindi 16 atomi di H.

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Week 1 - alcani 2

Abbiamo visto che la serie degli alcani lineari può essere identificata dal nome e dalla formula di struttura corrispondente; la lettera n-... che precede il nome dell’alcano indica che si tratta di un alcano di tipo lineare (o normale).

Dalla rappresentazione tridimensionale ci si può rendere conto come crescendo la catena in atomi di carbonio si passi ad avere una molecola da una forma più tondeggiante ad una catena dalla forma allungata.

N.B. Una catena di atomi di carbonio è flessibile, può essere “ripiegata” nello spazio in modi diversi:

Si tratta sempre della stessa molecola, ma essendoci libera rotazione tra i legami (nuvole di elettroni flessibili) posso pensare di ripiegare la catena in qualsiasi modo; si tratta quindi della stessa formula, stessa catena piegata in modi diversi. Importante ricordare che è sempre la stessa molecola.

Serie degli alcani ramificati

Un altro fenomeno con cui ci dobbiamo confrontare è che a partire dal butano, si verifica il fenomeno della isomeria: alla stessa formula bruta C₄H₁₀, possono corrispondere due diverse forme di struttura.

In questo caso il carbonio centrale lega gli altri 3 C, l’H si disporrà occupando le valenze restanti.

Le due molecole hanno la stessa identica formula bruta, ma non sono la stessa molecola. Questi due butani sono isomeri.

È chiaro che avendo due molecole differenti dovrò usare due nomi diversi per non confondere:

• N-butano (normal-butano): è l’alcano lineare.
• Isobutano: indica la presenza di una ramificazione (sempre a “codina”.

Il n-butano e l’isobutano sono isomeri costituzionali, cioè la loro isomeria dipende solo dalla diversa concatenazione (connettività) degli atomi di carbonio. Infatti, esistono diverse tipologie di isomeria.

Un altro concetto chiaro è che maggiore sarà il numero di atomi di carbonio, maggiore sarà il numero di isomeri possibili.

Così come il butano possiede due isomeri il pentano ne possiede tre:

• N-pentano.
• Isopentano: con una ramificazione (analogo all’isobutano).
• Neopentano: un carbonio centrale che lega i restanti quattro atomi di C.

È comunque importante ricordare che si trattano a tutti gli effetti di molecole diverse o meglio di isomeri che pur avendo la stessa formula bruta possiedono caratteristiche diverse (punti ebollizione diversi, costo diverso…).

Più aumenta il numero di atomi di C, più il numero degli isomeri aumenta costantemente; questo ci fa capire come i composti di carbonio possano essere così tanto differenziato (caratteristica dei composti di carbonio) cioè con gli stessi “ingredienti” posso avere tantissimi composti diversi. Si può calcolare il numero di isomeri di un determinato composto (non essenziale).

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Serie degli alcani ciclici

Quando ho più di tre atomi di carbonio non solo posso formare catene o ramificazioni, ma posso formare anche dei composti ciclici:

In questo caso la N- che indicava la catena lineare viene sostituita da “ciclo”.

I più diffusi sono i cicli a 5 e 6 C, più interessanti (per la chimica degli zuccheri) e più stabili.

La formula bruta dei cicloalcani è: C_nH_2n.

Ci sono 2 H in meno rispetto agli alcani lineari; questo è dovuto al fatto che quando vado a congiungere le due estremità di una catena per formare l’anello, 2 H vengono “sacrificati” per consentire il legame C-C.

Anche i cicloalcani presentano l’isomeria, possono esistere composti ciclici con stessa formula bruta ma diversa forma di struttura.

I composti ciclici in chimica organica sono tutt'altro che una rarità:

La simbologia in chimica organica

I gruppi alchilici

“Me” non si trova nella tavola periodica, non sta quindi ad indicare nessun atomo, ma si tratta di una sigla di un gruppo alchilico.

Sono dei gruppi, cioè dei “frammenti” di molecola che hanno la struttura di un alcano al quale sia stato tolto un atomo di idrogeno.

Anche i gruppi alchilici prendono il nome dell'alcano corrispondente ma al posto della desinenza “ANO” troviamo la desinenza “ILE”.

I gruppi alchilici non esistono come composti isolati ma sono utili per costruire molecole più grosse e semplificarne la scrittura.

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Guardando la molecola di clorofilla si può capire un po' meglio da che cosa è composta, si notano:

• Anelli a 5 con vari doppi legami che contengono azoto.
• Gli anelli sono legati con altri gruppi carboniosi con altri doppi legami.
• Al centro degli azoti si trova un atomo di magnesio (legame organometallico).
• Sono presenti catene laterali al termine delle quali troviamo dei gruppi alchilici (R, metili, etili…).

Week 2 - alcani 3

Atomi di carbonio primari, secondari, terziari e quaternari

Possiamo incontrare atomi di C che a seconda della struttura della molecola più o meno ramificata, possono avere legati a se 1 o più gruppi alchilici; definiamo:

• C primario: è legato a un solo gruppo alchilico.
• C secondario: è legato a due gruppi alchilici.
• C terziario: è legato a tre gruppi alchilici.
• C quaternario: è legato a quattro gruppi alchilici.

Questa definizione è applicabile anche agli atomi di idrogeno (H); dove per “H primario” si intende l’H legato ad un C primario.

Ma non esistono H quaternari proprio perché per definizione i C quaternari sono legati ad altri quattro carboni e non portano nessun atomo di idrogeno.

La medesima definizione verrà usata in seguito anche per altri gruppi; ad esempio: il mentolo, che è il principio attivo degli oli essenziali di menta, è un alcol (porta il gruppo funzionale ossidrile –OH caratteristico degli alcoli), ma diremo che è un alcol secondario perché il gruppo –OH è legato ad un C secondario. Un altro esempio: l’alogenuro è primario perché il gruppo caratteristico dei bromuri –Br è legato ad un C primario.

Nota: non esistono o altri gruppi funzionali quaternari!

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La nomenclatura degli alcani

La nomenclatura dei composti organici è molto complessa, una commissione internazionale ha stilato delle regole che consentono di dare ad ogni composto nuovo che viene scoperto in natura o sintetizzato in laboratorio, un nome univoco che tutti possano riconoscere o utilizzare. Applicare tutte queste regole non è essenziale ai fini di questo corso; basterà applicare 3 regole di base molto semplici:

• Il nome base: per prima cosa si deve identificare la catena di C più lunga; questa darà il nome base al composto, mentre i restanti gruppi vengono considerat