Riassunto esame Chimica medica, Prof. Borsani Giuseppe, libro consigliato Brown Edises , Edises

Chimica organica

Argomento 2: Nomenclatura dei composti organici

Classificazione dei composti organici

Regole per costruire il nome a partire dalla formula:

• Individuare il gruppo funzionale principale e la catena principale.
• Numerare la catena principale ed assegnarle il nome.
• Assegnare il nome e la posizione ad ogni sostituente.
• Scrivere il nome completo.

Nomenclatura gruppi funzionali con e senza carbonio

• Alcani: suffisso "-ano".
• Cicloalcano: "ciclo+ano" se è principale, "ile" se è sostituente.
• Alcheni: suffisso "ene".
• Cicloalchene: "ciclo+ene" se è principale, "enile" se è sostituente.
• Alchini: "-ino" se è gruppo principale.
• Cicloalchini: "ciclo+ino" se è principale, se è sostituente "inile".
• Alcoli: "olo" se è gruppo principale, suffisso "idrossi" se è sostituente (uguale fenoli).
• Solfuri: suffisso "solfuro" se è gruppo principale (nome comune), "alchiltio" se è sostituente.
• Disolfuri: suffisso "disolfuro" se è gruppo principale (nome comune).
• Tioli: suffisso "tiolo" se è gruppo principale, suffisso "mercapto" se è sostituente.
• Eteri: suffisso "alcossi" perché è sostituente.
• Amine: suffisso "ammina" se è gruppo principale, "...ammino" se è sostituente.
• Aldeidi: suffisso "ale" se è gruppo principale, "osso" se è sostituente.
• Chetoni: suffisso "one" se è gruppo principale, "osso" se è sostituente.
• Acidi carbossilici: "acido...oico" se è gruppo principale "carbossi" se è sostituente.
• Anidridi: "anidrire...oica" se è gruppo principale.
• Esteri: "..oato di ..ile" se è principale, "alcossicarbonil" se è sostituente.
• Alogenuri acilici: "alogenuro di ...oile" se è principale, "alocarbonil" se è sostituente.
• Ammidi: "..ammide" se è gruppo principale,"carbamoil" se è sostituente.
• Nitrili: "onitrile" se è gruppo principale, "ciano" se è sostituente.

Nomenclatura sostitutiva

Assegna ad ogni molecola il nome ricavato dalla sua catena di carboni principale non ramificata seguita da un suffisso che indica il gruppo funzionale principale, poi indica il nome e la posizione dei sostituenti, cioè delle ramificazioni che sostituiscono gli atomi di idrogeno della catena principale.

Nomenclatura radicofunzionale

Era utilizzata precedentemente: nomina le molecole elencando il gruppo funzionale e il radicale della catena di carboni.

Nomenclatura additiva

Questa nomenclatura utilizza il nome di una molecola madre a cui sono stati aggiunti uno o più atomi. Questa nomenclatura viene utilizzata principalmente quando si aggiunge idrogeno che è indicato dall'aggiunta di un prefisso idro.

Argomento 3: Isomeria conformazionale

Proprietà fisiche alcani

Gli alcani sono composti non polari e le uniche forze di attrazione presenti tra le loro molecole sono le forze di dispersione, cioè deboli interazioni elettrostatiche tra dipoli temporanei indotti di atomi o molecole adiacenti.

Gli alcani a basso peso molecolare sono gas a T. ambiente e a p. atmosferica. Gli alcani a più alto peso molecolare sono liquidi e poi solidi. L'isomero meno ramificato ha punto di ebollizione più alto.

Gli impieghi sono: gas naturale, formato per il 90-95% da metano, petrolio e gas di sintesi.

Conformazioni

Una conformazione è una qualsiasi disposizione tridimensionale degli atomi di una molecola risultante dalla rotazione attorno a legami semplici.

Proiezioni di Newman

Un modo convenzionale di rappresentare le conformazioni è dato dalla proiezione di Newman, dove un angolo diedro è l'angolo formato da due piani che si intersecano.

Conformazioni limite: alternata ed eclissata

In una conformazione eclissata l'angolo compreso fra il legame C-H del carbonio anteriore e quello del carbonio posteriore corrisponde a 0 gradi, quindi gli idrogeni del carbonio posteriore e anteriore sono allineati. Nella conformazione sfalsata l'angolo è di 60°, quindi per una questione di ingombro sterico e di repulsione delle nuvole elettroniche dei legami C-H, la conformazione sfalsata risulta più stabile di quella eclissata.

Diagramma dell'energia conformazionale per molecole conosciute e contributi energetici

• Per l'etano si possono evidenziare conformazioni sfalsate per i valori di 60 gradi, 180 e 300 e conformazioni eclissate per i valori degli angoli di 0, 120, 240°.
• Per il butano, osservato in proiezione di Newman lungo il legame C2-C3, la conformazione sfalsata con l'angolo diedro di 180 gradi è detta conformazione anti, le conformazioni sfalsate con gli angoli diedri di 60 e 300 sono dette conformazioni gauche.
• La conformazione anti del butano ha un'energia potenziale più bassa della conformazione gauche.

Cicloalcani e tensione d'anello

I cicloalcani sono idrocarburi saturi che contengono atomi di carbonio legati a formare un anello.

• In tutti i cicloalcani più grandi del ciclopropano sono favorite le conformazioni non planari.
• La conformazione del ciclopentano a più bassa energia è la conformazione a busta.
• Le conformazioni del cicloesano a più bassa energia sono le due conformazioni a sedia, tra loro interconvertibili.

Tipi di tensione intramolecolare

• La tensione torsionale, detta anche tensione da interazioni eclissate, si verifica quando atomi sono costretti a passare da una conformazione sfalsata a una eclissata.
• La tensione angolare deriva dalla formazione di angoli di legame che deviano rispetto ai valori ideali.
• La tensione sterica, detta anche di non legame o di Van der Waals si osserva quando atomi sono costretti a stare più vicini di quanto il loro raggio atomico consenta.

Conformazioni a barca e a sedia

• In una conformazione a sedia sei legami sono assiali e sei legami sono equatoriali (e viceversa nella sedia alternativa).
• I gruppi più voluminosi di H sono meno stabili nelle posizioni assiali delle conformazioni a sedia a causa delle interazioni steriche; la conformazione a sedia più stabile di un cicloesano sostituito è quella che rende minime le interazioni steriche diassiali e porta i sostituenti ingombranti in posizione equatoriale.
• La conformazione "a sedia" è, delle tre, la più stabile: in essa tutti gli angoli tra gli atomi di carbonio dell'anello sono di 109,5° e tutti gli atomi di idrogeno, che si trovano su atomi di carbonio adiacenti, sono perfettamente sfalsati. Le conformazioni a barca e a barca distorta hanno maggior energia delle conformazioni a sedia.

Argomento 4: Isomeria configurazionale

Notazione cis/trans e E/Z negli alcheni

• Gli isomeri cis, trans hanno la stessa formula molecolare, la stessa connettività degli atomi ma una diversa disposizione degli atomi nello spazio, che non è interconvertibile per semplice rotazione intorno ai legami singoli.
• I sostituenti cis sono disposti dalla stessa parte del piano individuato dall'anello, i sostituenti trans si trovano su lati opposti rispetto al piano individuato dall'anello.
• Se i sostituenti più ingombranti sono dallo stesso lato si dice configurazione Z, se sono dal lato opposto hanno configurazione E.

Isomeria cis/trans nel cicloesano

La maggior parte dei cicloesani con sostituenti su due o più atomi di carbonio presenta isomeria cis, trans: cis se seguono lo stesso verso (alto o basso), trans verso opposto.

Isomeria ottica

L'isomeria che riguarda la simmetria degli atomi. Un'immagine speculare è il riflesso di un oggetto in uno specchio.

Oggetti e atomi asimmetrici

Le molecole che non sono sovrapponibili alla loro immagine speculare vengono dette chirali. La chiralità è la proprietà di un oggetto e non di un atomo. Un oggetto achirale è privo di chiralità, è un oggetto con una immagine speculare sovrapponibile. Quasi tutti gli oggetti achirali possiedono almeno un piano o un centro di simmetria. Un piano di simmetria è un piano immaginario che divide un oggetto in due metà uguali, speculari fra loro.

Centri stereogenici

Un centro chirale è uno specifico tipo di stereocentro. Il centro stereogenico più comune è l'atomo di carbonio a configurazione sp³, ovvero con geometria tetraedrica, e quattro sostituenti diversi legati ad esso. Lo stereocentro non deve necessariamente essere un atomo di carbonio; qualsiasi atomo che abbia geometria tetraedrica e quattro sostituenti diversi introduce un'asimmetria nella molecola.

Enantiomeri

Sono stereoisomeri che sono immagini speculari non sovrapponibili; hanno proprietà fisiche e chimiche identiche in ambiente achirale ma differenti proprietà in ambiente chirale, come in presenza di luce polarizzata.

Diastereomeri

I diastereomeri sono stereoisomeri che non sono immagini speculari. Questi hanno proprietà fisiche e chimiche differenti anche in ambiente achirale.

Polarimetria

Il polarimetro è uno strumento che misura la capacità di un composto di far ruotare il piano della luce polarizzata. È costituito da una sorgente di luce monocromatica, un filtro polarizzatore e un filtro analizzatore e da una provetta portacampione. Se la provetta è vuota, l'intensità della luce che raggiunge è minima quando i due angoli sono in angolo retto. Ruotando il filtro analizzatore in senso orario o antiorario viene trasmessa più luce.

Potere ottico rotatorio

Un composto ha potere ottico se è in grado di far ruotare la luce polarizzata. La rotazione osservata è il numero di gradi di cui un composto ruota il piano della luce polarizzata, ovvero il numero di gradi di cui deve essere ruotato il filtro analizzatore per ripristinare l'oscurità del campo visivo: destrorotatorio (o destrogiro) o levorotatorio (o levogiro).

Notazione e proiezione di Fisher

Le proiezioni di Fisher sono proiezioni bidimensionali di molecole chirali utili per valutarne la stereochimica (=tridimensionalità): i gruppi a destra e sinistra per convenzione stanno al di sopra del foglio, i gruppi in alto e in basso stanno al di sotto del foglio.

Configurazione assoluta (R,S)

La configurazione assoluta di qualsiasi centro chirale può essere assegnata attraverso il sistema R,S. Per applicare questa convenzione:

• Ad ogni atomo o gruppo di atomi legati al centro chirale viene assegnata una priorità e li si numera da quello a priorità più alta a quello a priorità più bassa.
• La molecola è orientata nello spazio in modo tale che il gruppo a priorità più bassa si allontani dall'osservatore (spesso si tratta dell'idrogeno).
• I tre gruppi rimanenti vengono letti nell'ordine a partire da quello a priorità più alta: se si va in senso orario è R, se si va in senso antiorario è S.

Configurazione relativa (D,L)

La configurazione relativa è stata assegnata arbitrariamente descrivendo la gliceraldeide che avesse il gruppo ossidrilico (più ingombrante) legato al centro chirale disposto sul lato destro della molecola con D ad indicare destra, mentre L per indicare sinistra. Per disegnare un centro chirale con la configurazione opposta (cioè passare da R a S o viceversa) scambia di posto due gruppi qualsiasi legati al centro chirale, se vuoi mantenerla puoi scambiare di due.

Eritro e treo

Trae origine da zuccheri con due centri chirali: eritrosio e treosio. Scrivendo le proiezioni di Fisher si definisce eritro la condizione in cui i due gruppi più importanti sono dallo stesso lato, treo dalla parte opposta.

Regole di Cahn-Ingold-Prelog

• Più è alto il numero atomico dell'atomo legato al centro chirale, più è alta la priorità.
• Se c'è un pareggio, ci si allontana dal centro chirale fino a raggiungere il primo punto di differenza.
• Gli atomi coinvolti in doppi o tripli legami sono considerati come se avessero rispettivamente due o tre legami semplici con il proprio partner atomico nel legame multiplo.

Molecole con più di uno stereocentro

Per ogni centro chirale sono possibili due stereoisomeri (una coppia di enantiomeri) al massimo. Possono esserci alcune molecole contenenti due o più centri chirali che hanno speciali proprietà di simmetria che riduce il numero di stereoisomeri: il composto meso (es. acido tartarico).

Miscela racemica

Una miscela racemica è una miscela di uguali quantità di due enantiomeri e ha una rotazione specifica uguale a zero.

Miscele racemiche e risoluzione per mezzo di sali diasteromerici

La separazione di una miscela racemica nei suoi enantiomeri è chiamata risoluzione. Uno schema generale per la separazione degli enantiomeri richiede la conversione chimica di una coppia di enantiomeri in due diastereomeri con l'ausilio di un agente risolvente chirale enantiomericamente puro. Questa risoluzione chimica ha successo perché i diastereomeri formati hanno proprietà fisiche differenti e possono essere separati con mezzi fisici. Al termine, i diastereomeri ottenuti sono riconvertiti nei singoli enantiomeri e viene recuperato l'agente risolvente chirale.

Chiralità nei composti ciclici

Argomento 5: Risonanza e aromaticità

Teoria della risonanza

Secondo questa teoria molte molecole e ioni non sono adeguatamente rappresentati da una singola struttura di Lewis, ma da due o più strutture di Lewis. La combinazione di tali strutture rappresenta la reale molecola o ione. Le singole strutture di Lewis sono comunemente chiamate strutture limite (o anche strutture di risonanza o contributi di risonanza). Tali strutture limite, collegate tra loro con frecce a doppia punta, definiscono nel loro complesso la molecola o lo ione reale, che viene perciò definito ibrido di risonanza delle varie strutture limite.

Regole fondamentali delle strutture di risonanza

• Le frecce devono sempre iniziare da un doppio (o triplo) legame o da una coppia di elettroni non condivisi.
• Le frecce devono sempre terminare su un atomo in grado di formare un nuovo legame o di accogliere un doppietto solitario. Spesso, quando si forma un nuovo legame, uno dei legami che quell’atomo forma deve rompersi per non violare la regola dell’ottetto.

Regole per scrivere strutture limite accettabili

• Tutte le strutture limite devono avere lo stesso numero di elettroni di valenza.
• Tutte le strutture limite devono seguire le regole su cui si basa il legame covalente.
• Nessuna struttura limite deve avere più di due elettroni nel guscio di valenza dell’idrogeno o più di otto in quello degli elementi del secondo periodo della tavola periodica. Gli elementi del terzo periodo, come il fosforo e lo zolfo, possono avere fino a un massimo di 12 elettroni nel loro guscio di valenza.
• Le strutture limite devono differenziarsi solo per la distribuzione degli elettroni di valenza.
• Tutte le strutture limite devono avere lo stesso numero di elettroni appaiati e spaiati.

Come riconoscere le molecole più stabili

• Primo criterio: gusci di valenza pieni.
• Secondo criterio: maggior numero di legami covalenti.
• Terzo criterio: separazione di cariche ridotte al minimo.
• Quarto criterio: carica negativa sull'atomo più elettronegativo.

Concetto di aromaticità

Aromaticità è il termine usato per descrivere questa speciale stabilità del benzene e dei suoi derivati: le molecole aromatiche mostrano una notevole stabilità che le rende non reattive verso reagenti in grado di attaccare altre specie insature, come gli alcheni e gli alchini.

Orbitali molecolari e aromaticità

August Kekulé propose che il benzene fosse formato da un anello a sei atomi di carbonio, con un atomo di idrogeno legato a ciascuno di essi. I sei atomi di carbonio dell’anello sono equivalenti e le lunghezze di legame carbonio-carbonio sono tutte intermedie tra quelle di un legame singolo e quelle di un legame doppio. Secondo la teoria dell’orbitale molecolare, la struttura del benzene è descritta nel modo seguente.

• Ciascun atomo di carbonio dell’anello è ibridizzato sp².
• Ciascun atomo di carbonio dell’anello forma legami σ per sovrapposizione di orbitali ibridi sp²-sp² fra le coppie di atomi di carbonio adiacenti e per sovrapposizione sp²-1s con un atomo di idrogeno.
• Inoltre, ciascun atomo di carbonio ha un orbitale 2p, che contiene un solo elettrone.
• La sovrapposizione degli orbitali 2p genera sei orbitali molecolari (MO) π.

La miglior rappresentazione del benzene è quella di un ibrido di risonanza formato da due strutture limite nelle quali le posizioni dei doppi legami sono scambiate.