Appunti Chimica organica con laboratorio

CHIMICA ORGANICA

Per organica intendiamo la designazione di tutti quei composti che si pensava

potessero essere solo prodotti dagli organismi viventi, difficili da purificare e

manipolare. Tutti i composti organici contengono carbonio, idrogeno, ossigeno e

azoto e pochi altri elementi. Il carbonio si trova nel quarto gruppo, forma quattro

legami, ha media elettronegatività, forma legami covalenti. La differenziazione tra

grafite e damante è la differenza di legame tra il C, nel diamante più compatti più

difficile da scalfire a contrario della grafite che presenta una struttura facilmente

sfaldabile. i composti organici contenenti carbonio possono essere isomeri

ovvero stessa formula bruta ma diversa struttura chimica.

Gli elettroni sono confinati nei gusci elettronici, ciascun guscio può contenere

fino a 2n elettroni, dove n è il numero del guscio. Quelli nel primo guscio sono i

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più vicini al nucleo, gli elettroni sono raggruppati in orbitali che è una regione dello

spazio che può contenere due elettroni.

• Il primo guscio contiene un orbitale 1s

• il secondo guscio un orbitale 2s e tre 2p (gli orbitali di tipo p possono

ospitare 6 elettroni),

• il terzo guscio un orbitale 3s, tre orbitali 3p e cinque orbitali 3d (gli orbitali

di tipo d possono ospitare 10 elettroni), gli orbitali di tipo f esistono in

insieme di sette e possono ospitare fino a 14 elettroni.

Regole configurazione elettronica fondamentale:

Gli orbitali si riempiono in ordine di energia crescente

1) Ciascun orbitale può contenere fino a due elettroni con i loro spin appaiati

2) Quando sono disponibili orbitali di uguale energia ma non ci sono elettroni

3) sufficienti a riempirli completamente allora un solo elettrone viene

aggiunto a ciascuno degli orbitali equivalenti prima di aggiungere un

secondo elettrone a uno qualsiasi di essi

Numero atomico Z = protoni nel nucleo

Numero di massa A= somma protoni neutroni

Isotopi sono atomi contenenti stesso numero di protoni ma diverso di neutroni.

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L’elettronegatività misura la forza di un atomo che attrae a sé un altro atomo

formando un legame chimico, aumenta lungo i gruppi e salendo nei gruppi.

Il legame ionico si forma con differenza di elettronegatività maggiore di 1.9

Legame covalente si forma con differenza di elettronegatività minore di 1.9

Il legame covalente, a differenza di quello ionico è direzionale, induce dunque ad

una certa geometria molecolare e caratterizza le molecole. Il legame covalente

nell’atomo di idrogeno si forma per sovrapposizione degli orbitali atomici 1s di

ciascun idrogeno, la coppia di elettroni occupa la regione tra i due nuclei e serve

a schermare un nucleo dall’altro.

Il legame covalente non polare si instaura fra atomi con stessa elettronegatività a

differenza del legame covalente polare che si instaura fra atomi con

elettronegatività compresa tra 1.9 e 0.5, ed in base al tipo di attrazione si

formeranno delta positivi e negativi.

• metano: il carbonio è legato a quattro atomi di idrogeno con una struttura

tetraedrica.

• Ammoniaca: azoto legato a tre atomi di idrogeno con un doppietto spaiato

formando una struttura piramidale.

• Acqua: ossigeno legato a due atomi di idrogeno con due doppietti spaiati

assumendo una forma

• Il legame H-H si ottengono dalla sovrapposizione testa-testa.

Secondo la teoria VSEPR gli elettroni di valenza di un atomo possono essere

coinvolti nella formazione di legami semplici, doppi o tripli o possono non essere

condivisi, ha vari tipi di struttura:

• Tetraedrica

• trigonale planare

• lineare

Legame C-H è relativamente non polare.

L’ibridazione degli orbitali atomici

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Orbitali ibridi sp comporta alla formazione di quattro orbitali dati dalla fusione di

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un orbitale s e tre p, presenta un lobo più grande in una direzione e nella direzione

opposta troviamo un lobo più piccolo e formano angoli di legame di 109.5°.

Orbitali ibridi sp tre orbitali, due lobi grandi e uno piccolo avendo un’angolazione

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di 120°, il terzo orbitale 2p non è coinvolto nell’ibridazione e consiste di due lobi

perpendicolari al piano degli orbitali ibridi sp per formare legami doppi. Presenta

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un legame π che è un legame covalente formato per sovrapposizione degli

orbitali.

Orbitali ibridi sp: sono orientati a formare angoli di 180° con formazione di legami

tripli (due legami π e un legame σ).

Un acido è una sostanza in grado di donare elettroni, a contrario della base che è

una sostanza che ne accetta. La forza di acidi e basi è la tendenza a cedere ione

H in acqua. La forza di un acido HA è definita dalla costante di acidità…

+

Secondo la teoria acido base di Lewis un acido è un accettore di elettroni; invece,

una base è una donatrice di elettroni.

Gli idrocarburi sono composti che contengono atomi di idrogeno e carbonio.

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Isomeria cis-trans:

• Cis, sostituenti si trovano dalla stessa parte del legame

• Trans, si trovano opposti ALCANI

C H

n 2n+2

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Nomenclatura alcani: prefisso del numero di carbonio e suffisso ano che indica

alcano.

Gli isomeri costituzionali sono composti che presentano stesso numero di

molecole ma diversa struttura.

Gli atomi di carbonio si possono classificare 1°, 2°, 3°, 4° in funzione del numero

di atomi di carbonio legati ad esso.

CICLOALCANO è un idrocarburo che contiene atomi di carbonio uniti in modo da

formare un anello, formula generale C H , per nominarli occorre il prefisso ciclo

n 2n

e indicare ciascun sostituente sull’anello.

Gli alcani con due o più atomi di carbonio possono assumere coi loro atomi un

numero di differenti disposizioni tridimensionali, ruotando intorno a uno o più

legami C-C, ciascuna disposizione tridimensionale di atomi che deriva dalla

rotazione intorno a legami semplici è chiamata conformazione. In una

proiezione di Newman, la molecola è vista lungo l’asse del legame C-C, i tre H più

vicini all’osservatore appaiono su linee che partono dal centro del cerchio a 120°,

i tre idrogeni del carbonio più distante dall’osservatore appaiono su linee che

partono dalla circonferenza del cerchio a 109,5°.

Nella conformazione eclissata i tre legami C-H su un carbonio sono alla minima

distanza possibile rispetto ai tre legami C-H sul carbonio adiacente, ovvero gli

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atomi di idrogeno sul carbonio posteriore sono eclissati rispetto agli atomi di

idrogeno sul carbonio frontale.

Nel ciclopentano gli angoli che si formano sono di 108°, dovuto ad una tensione

angolare nella conformazione planare del ciclopentano. Si genera tensione

angolare quando un legame in una molecola è espanso o compresso rispetto al

suo valore ottimale. Vi sono dieci legami C-H completamente eclissati che

creano tensione torsionale, per ridurre almeno in parte questa tensione gli atomi

hanno una conformazione a busta, in essa è ridotta il numero di interazioni tra

idrogeni eclissati riducendo così la tensione torsionale.

Nel cicloesano possiamo avere conformazione a sedia (la più stabile), tutti gli

angoli di legame sono 109,5° e gli idrogeni su carboni adiacenti sono sfalsati. I

legami C-H possono essere Assiali (alto o basso) ed Equatoriali (sinistra destra) e

si dispongono sempre parallelamente, se il legame assiale punta verso l’alto, il

legame equatoriale punta verso il basso e viceversa. Nella conformazione a

barca (meno stabile) si crea tensione torsionale a causa dell’interazione tra

idrogeni ad asta di bandiera. Si genera tensione sterica quando atomi non legati

tra loro, separati da quattro o più legami sono costretti ad avvicinarsi troppo l’uno

all’altro ad una distanza inferiore rispetto a quanto permesso dai loro raggi

atomici.

Gli alcani non sono molto reattivi, sono soggetti ad ossidazione. Dal metano a

butano sono gassosi, dal pentano in poi sono liquidi, sono principalmente non

polari, le molecole degli alcani sono soggette a forze di Van Der Waals. Gli alcani

subiscono combustione, si ricavano da combustibili fossili, gas naturale, petrolio

e carbone e si ottengono principalmente dalla distillazione frazionata del petrolio

ALCHENI

C H formula generale. Contengono uno o più doppi legame carbonio-carbonio.

n 2n

L’alchene più semplice è l’etilene C H . L’etilene in natura è presente soltanto in

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tracce, si ottiene tramite crack termico degli idrocarburi. La forma degli alcheni

prevede un legame di 120°, il valore cambia poiché subisce deviazione

dell’angolo causato da tensioni di interazione di non legame tra gruppi alchilici

legati ai carboni del doppio legame.

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Gli alcheni cis sono meno stabili degli isomeri trans a causa della tensione da

interazione di non legame tra sostituenti ingombranti che si trovano sullo stesso

lato. Gli alcheni vengono nominati sempre con il suffisso per indicare il numero

di carboni e con l’infisso ene. Per alcheni tri e tetra sostituiti deve essere sempre

utilizzato il sistema E-Z, questo sistema dà priorità ai sostituenti su ciascun

carbonio del doppio legame. Z (zusammen) se i gruppi con priorità più alta sono

dallo stesso lato del doppio legame invece E (entgegen) se sono opposti.

La priorità si basa su:

• numero atomico dell’atomo legato al doppio legame

• se il numero atomico dell’atomo legato al doppio legame è uguale si vede il

numero atomico del secondo atomo.

Nei Cicloalcheni gli atomi di carbonio del doppio legame del ciclo sono numerati

1 e 2 nella direzione che consente di dare il numero più basso al sostituente

incontrato per primo. ALCHINI

C H

n 2n-2

Contengono uno o più tripli legami, il più semplice è l’etino, tutti gli angoli di

legame sono 180°, vengono nominati con suffisso ino.

STEREOISOMERIA

Gli stereoisomeri hanno stessa formula molecolare ma differente orientazione

tridimensionale dei loro atomi nello spazio (isomeria cis-trans).

ENANTIOMERIA

Gli enantiomeri sono stereoisomeri che sono immagini speculari non

sovrapponibili l’uno sull’altro. La stragrande maggioranza delle molecole

presentano enantiomeria.

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Il caso più comune di enantiomeria è quando il carbonio lega quattro gruppi

differenti ed è chiamato stereocentro. Nella formazione a bastoncini se il legame

è tratteggiato si trova lontano dall’osservatore, se il cuneo è pieno allora è vicino.

Oggetti che non sono sovrapponibili alla propria immagine speculare sono detti

chirali, se invece sono sovrapponibili vengono chiamati achirali. Un oggetto

achirale possiede almeno un piano di simmetria. Per l’assegnazione dei nomi di

enantiomeri si utilizza il sistema R, S:

• Si localizza lo stereocentro, si identificano i suoi quattro sostituenti e

assegna la priorità da 1 a 4 a ciascun costituente.

• Si orienta la molecola nello spazio in modo che il gruppo con priorità più

bassa sia lontano dall’osservatore mentre gli altri tre gruppi vicino.

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• Si leggono i gruppi dalla priorità più alta a q