Biochimica e chimica organica

CHIMICA ORGANICA

Prima Lezione: introduzione alla chimica

organica

La chimica organica studia le caratteristiche chimiche e

fisiche delle molecole organiche cioè dei composti del

carbonio. 33

Questi composti contengono sempre C,H,O e talvolta N, S,

P;

possono formare catene lineari, ramificate o ad anello.

Il carbonio appartiene al 4° gruppo: ha

un’elettronegatività di 2,5 per cui forma legami covalenti,

ha un piccolo raggio atomico che lo porta a creare legami

stabili con altri C.

Ha 4 elettroni nello strato di valenza che grazie

all’ibridazione permette la creazione di legami semplici,

doppi o

tripli.

Il legame covalente si forma quando due orbitali atomici

si sovrappongono parzialmente e i due elettroni in essi

contenuti si accoppiano, devono sempre essere soli

nell’orbitale atomico ad esclusione del legame dativo in cui

i due e- derivano dallo stesso atomo.

Il legame dativo è un tipo particolare di legame covalente

che si forma quando uno dei due atomi, definito donatore,

fornisce la coppia di elettroni e la condivide con un altro

atomo detto accettore(deve avere un orbitale vuoto).

I legami doppi e tripli si spiegano semplicemente con la

sovrapposizione di più orbitali.

Es. la molecola N2

→ N: [He] 2s2 2p3 (2px 1 2py

1 2pz 1) → 3 elettroni spaiati

La sovrapposizione da due

situazioni: orbitali sovrapposti sul loro asse principale e

quelli sovrapposti solo lateralmente; si generano quindi

due tipi di legami: (esterni).

σ e π

I legami π sono generalmente più lunghi e più deboli

rispetto ai σ, questi ultimi sono i primi a formarsi. Quando 34

in una molecola c’è un unico legame è sicuramente σ,

invece quando due atomi condividono 2+ coppie di e-la

prima forma un legame σ mentre le altre .

π

I legami sigma si possono formare per sovrapposizione di

due orbitali s,uno s e uno p oppure due p.

Nel metano (CH4 ) il carbonio forma quattro legami. Come spiegare

questo numero di legami se la configurazione elettronica esterna del

C prevede solo due elettroni spaiati?

Si ipotizza che un elettrone dell’orbitale 2s venga promosso

nell’orbitale 2p:

l’energia richiesta per questo passaggio viene compensata dalla

formazione dei legami, che provocano un abbassamento complessivo

dell’energia della molecola che si può formare.

Il meccanismo di ibridazione ipotizza che gli orbitali

coinvolti nel legame si miscelino e gli elettroni si

dispongano il più lontano possibile, per spiegare la

geometria molecolare si

utilizzano gli orbitali atomici

puri.

Ricapitolando esistono

diversi orbitali ibridi ottenuti

dalla combinazione di un

orbitale s con

1, 2, 3 orbitali p.

– O forma sempre due

legami

– N generalmente ne forma tre

– H e gli alogeni ne formano uno

Ma come si descrive una molecola?

FORM. MINIMA: indica quali elementi sono presenti e la

combinazione

FORM. MOLECOLARE: indica quali e quanti atomi ci sono

FORM. DI STRUTTURA: indica in che modo gli atomi sono

disposti, per disegnarla vanno prima scritti i C, poi si

riempiono gli spazi con gli H mancanti. Le forme lineari 35

sono delle lineette, i doppi legami si scrivono con 120°.

Per rappresentare la disposizione tridimensionale degli

atomi nello spazio si possono usare tre notazioni differenti:

prospettiche

● Formule → sul piano ci sono linee

continue, i legami diretti fuori dal piano sono

cunei pieni mentre quelli più lontani sono

tratteggiati cavalletto

● Proiezioni a → la linea di osservazione

forma un angolo di 45º con il legame C-C. Il C più

vicino all'osservatore è in basso a destra, mentre

quello più lontano è in alto a sinistra.

Newman

● Proiezione di → osservando la molecola

lungo l’asse, il C anteriore è indicato da un punto da

cui partono i legami con costituenti, il C dietro è

rappresentato da un cerchio con dei trattini.

Fischer

● Proiezione di → serve per rappresentare

composti organici con uno o più centri stereogeni

(carbonio asimmetrico o chirale),

il tutto è a forma di croce.

Gli atomi sullo stesso piano sono nell’asse verticale, gli

atomi verso l’osservatore sono sulla destra mentre gli

altri sull’asse orizzontale verso sinistra

L’isomeria: alcuni composti hanno la stessa formula

molecolare ma sono diversi, possono avere diversa formula

di struttura e diverse proprietà chimiche e fisiche.

Esistono diversi tipi di isomeria:

STRUTTURA quando si presenta una diversa successione

degli atomi o di gruppi di atomi nella molecola, si dividono

in – catena: può essere lineare o ramificata

– posizione: posizione diversa dei sostituenti o dei

legami multipli

– funzione: diverso gruppo funzionale 36

STEREOISOMERI

inoltre possono esserci gli dove i composti

possono avere una diversa disposizione degli atomi nello

spazio, a loro volta si suddividono in:

– geometrici/CIS-TRANS: molecole con doppi legami

carbonio-carbonio o un anello

– ottici o enantiomeri: sono composti da molecole

chirali ovvero oggetti che non hanno un elemento di

simmetria e sono uno l’immagine speculare dell’altro

(C con 4 legami diversi).

Le proprietà CH FS degli enantiomeri sono le stesse, si

differiscono per l’interazione con la luce polarizzata

linearmente (pot ottico rotatorio, in senso orario è D+

destrogiro sennò L- levogiro), interazione con solventi

chirali (solubilità in solventi chirali, reattività o interazioni

con substrati chirali.

Una miscela 50-50 di enantiomeri è detta RACEMO e non fa

ruotare il piano della luce polarizzata.

Per determinare se una molecola è D o L si assegna un

numero da 1 a 4 dove il primo ha priorità max, viene

assegnata in base al numero atomico!

Ci sono delle regole di sequenza di Cahn Ingold-Prelog

(CIP):

leggere secondo l’ordine di priorità, dalla più alta 1 alla più

bassa 3,

se i gruppi sono letti in senso orario, si assegna la

configurazione R; se sono letti in senso antiorario la

configurazione S.

Seconda Lezione: Introduzione alla chimica

organica parte 2

Le sostanze possono essere classificate in base alla loro

struttura in:

● composti aciclici: non sono presenti anelli, le

catene sono lineari o ramificate con legami 37

semplici o multipli. Talvolta hanno elementi aggiuntivi

a C e H.

● composti ciclici: a catena chiusa, formati da più anelli

e legami multipli; si dividono in composti

carbociclici (anelli di atomi di C 5-6 più comuni) e

eterociclici (anelli di C con almeno un atomo

diverso da quest’ultimo).

Possono essere classificate anche in base ai gruppi

funzionali, ovvero raggruppamenti atomici sede di

reattività.

Un particolare

gruppo funzionale

subisce lo stesso

tipo di reazioni

chimiche, sono

l’unità per mezzo

delle quali c’è una

divisione per classi e

servono infine come

base per assegnare

un nome.

Le reazioni chimiche avvengono per:

● tipo di rottura del legame: un legame covalente può

eterolitico

rompersi in modo quando gli elettroni si

spostano su uno dei due frammenti, possono portare

alla formazione di due ioni diversi.

omolitica

Invece nella scissione gli elettroni dopo la

rottura si dispongono ognuno su un frammento;

spesso formano i radicali.

E’ favorita dai solventi non polari, condizioni gassose e

luce. Elettrofilo

● tipo di reagente: quando una specie chimica

Nucleofilo

accetta un doppietto da un’altra, quando

Radicale

una specie doma un doppietto e quando un la

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specie ha un elettrone spaiato.

La reattività di un nucleofilo aumenta all’aumentare

della capacità di donare la coppia di elettroni, nei

solventi polari protici un anione è più forte del suo

acido coniugato.

Tra elementi dello stesso gruppo della tavola periodica

il nucleofilo più forte è quello che possiede l’atomo

nucleofilo più grande; invece quando si parla di

periodo il più forte è quello con elettronegatività

minore.

● tipo di meccanismo:

addizione

le reazioni di avvengono quando

2+ reagenti si uniscono a formare un

unico prodotto.

E’ caratteristica dei composti con un

doppio o triplo legame C-C, determina la

conversione di un legame π ed

un legame σ in due legami σ.

La reazione opposta è di

eliminazione e avviene quando

due sostituenti sono rimossi da

una molecola per formare due prodotti, i gruppi

uscenti sono generalmente di piccole dimensioni e

solitamente riguardano i carboni sp3; c’è la

formazione di un legame π.

Le reazioni si chiamano di

sostituzione quando un atomo o

gruppo di atomi su una molecola

vengono sostituiti da una specie chimica.

Il gruppo entrante secondo diversi passaggi riesce a

prendere il posto di X, il grp uscente, che prima era

legato a C. ossidoriduzione

Infine le reazioni di avvengono quando

si modifica lo stato di ossidazione del carbonio, 39

l’ossidazione comporta l’aggiunta di atomi di ossigeno

(oppure azoto, alogeni) o la perdita di idrogeno mentre

la riduzione comporta l’addizione di idrogeno o la

perdita di ossigeno (o di azoto o alogeni).

Il numero di ossidazione del C si calcola osservando i

legami che forma con gli atomi adiacenti,

considerando che i legami fatti con specie

elettronegative (O, Cl, N, P) contribuiscono

con un +1 per legame mentre quelli con le

meno elettronegative (H, Na, Ca, B) danno

-1.

In questo caso è -8/3 .

La somma dei N.O. deve sempre essere zero!!

Terza Lezione: gli Idrocarburi

Sono i composti binari più semplici, formati da C e H.

Vengono usati come combustibili,solventi e hanno origine

fossile.

Si dividono in saturi (alcani) e insaturi (alcheni e alchini +

areni),

Gli alcani si chiamano anche paraffine poiché sono poco

reattive,

possiedono solo legami semplici C-C formando catene

lineari sature, la loro forma è CnH2n+2.

La nomenclatura si indica con il prefisso che indica il n° di

C e il suffisso ANO, il metano etano propano e butano

differiscono l’un l’altra per la presenza di un CH2 in più e

sono dette molecole omologhe (=formula generale,

proprietà ch mentre le fisiche sono variabili).

Gli atomi di C di un idrocarburo vengono classificati in

PRIMARI, SECONDARI, TERZIARI e QUATERNA