Chimica organica 1

Anna Gallina 1° anno CTF 2023-2024

Chimica organica 1

La chiralità può essere presente in molecole che non presentano centri chirali, ciò avviene attraverso l’isomeria

conformazionale. Quando la barriera dell’interconversione è elevata e gli enantiomeri non si interconvertono a

temperatura ambiente, la molecola sarà chirale e gli enantiomeri possono essere separati. Questa tipologia di

isomeri che non hanno un centro chirale e che si differenziano perchè non riescono a compiere una rotazione

vengono detti atropoisomeri.

NOMENCLATURA DEI CENTRI CHIRALI

Per distinguere fra loro l’enantiomero “destroso” e quello “sinistroso”, è stata creata un’apposita nomenclatura,

ossia il sistema R, S che determina l’orientazione dei sostituenti attorno al centro chirale in base a una serie di

regole di priorità. Il nome IUPAC di entrambi i composti è lo stesso, mentre per distinguere fra loro i due enantiomeri

è necessario specificare la loro configurazione assoluta degli stereocentri. Con questo, si intende l’appartenenza

di un enantiomero a uno dei due possibili isomeri.

Regole di priorità

1. Ad ogni atomo legato al centro chirale è assegnata una priorità che si basa sul numero atomico: più alto è

il numero atomico, più alta è la priorità. Nel caso in cui siano isotopi, si da la priorità a quello con il peso

atomico più alto.

2. Se la priorità non può essere assegnata in base al numero atomico, poichè diversi sostituenti hanno lo

stesso atomo, allora si procede lungo la catena fino a quando non si trova un punto di differenziazione

che permette di assegnare la priorità basata sul numero atomico.

3. Gli atomi che fanno parte di un doppio o triplo legame sono considerati come se fossero legati con un

numero equivalente di legami semplici ad atomi immaginari dello stesso tipo. La priorità fra i due gruppi

viene assegnata in base al primo punto di differenza e non in base alle dimensioni del gruppo.

Come attribuire la configurazione R, S

1. Localizzare il centro chirale e identificare i suoi 4 sostituenti

2. Assegnare a ciascun sostituente la priorità da 1 a 4 utilizzando le regole

3. Orientare la molecola nello spazio in maniera che il gruppo con la priorità 4 punti lontano dall’osservatore

(cuneo tratteggiato).

4. Determinare l’orientazione relativa agli altri sostituenti

5. Se la sequenza dei gruppi è in senso orario, allora la configurazione del centro chirale è R; mentre se è in

senso antiorario allora la configurazione è S.

N. B.: Se il sostituente con priorità 4 non si trova già lontano, si può scambiare il gruppo con quello che si trova

dietro. Se si fa questo, bisogna ricordare che per effetto del cambio dei sostituenti, la configurazione R e S è invertita

rispetto all’originale.

Esempio:

Il gruppo con priorità minore della molecola è quello con l’H, ma non si trova orientato nel punto lontano

dall’osservatore. Il metodo semplificato prevede che esso venga scambiato con quello che si trova dietro, sapendo

che questo comporta un’inversione della configurazione assoluta. Con lo scambio, la priorità è in senso orario, ma

in realtà la configurazione reale della molecola è quella con la priorità in senso antiorario, ossia S.

MOLECOLE ACICLICHE CON DUE O PIÙ STEREOCENTRI

Al crescere del numero dei doppi legami di una molecola, cresce il numero degli stereoisomeri, la situazione diventa

ancora più complicata quando gli stereocentri sono anche dei centri chirali. Per una molecola con due o più centri

chirali, il numero massimo di stereoisomeri possibili è 2 .

n

Esempio:

I quattro isomeri del 2,3,4-triidrossibutanale che possiede due centri chirali sui due C centrali:

Gli stereoisomeri a e b sono fra loro enantiomeri perchè non sovrapponibili, e lo stesso vale per c e d. Infatti vengono

definiti come due coppie di enantiomeri: a e b sono definiti come (2R,3R)-eritriosio e (2S, 3S)-eritriosio; mentre

quelli c e d sono (2R, 3S)- treosio e (2S, 3R)- treosio. Ciò che lega a con c, b con d, a e d, b e c è che sono fra loro

diastereoisomeri.

Quindi, due stereoisomeri sono enantiomeri se tutti i centri chirali hanno una configurazione opposta (RR-SS e

RS-SR); mentre saranno diastereoisomeri se non tutti i centri chirali sono opposti (RR-RS, RR-SR, SS-RS e SS-SR).

Composti meso

Alcune molecole con due o più centri chirali hanno delle speciali proprietà di simmetria che riducono il numero di

stereoisomeri rispetto al massimo previsto dalla formula 2 .

n

Esempio:

L’acido tartico (acido 2,3-diidrossibutandioico) presenta due centri chirali e quindi, seguendo la formula avrà 4

stereoisomeri.

Dall’immagine si può notare come in realtà gli stereoisomeri sono 3 perchè a e b sono due immagini speculari ma

non sovrapponibili e quindi sono due enantiomeri; mentre c e d sono delle immagini speculari ma sono

sovrapponibili e quindi non sono enantiomeri ma la stessa molecola disegnata con una diversa orientazione. Lo

stereoisomero c/d è un composto meso, ossia un composto achirale (diastereoisomero) che ha due o più centri

chirali e possiede degli isomeri chirali. I composti meso hanno un piano di simmetria interno e due centri chirali,

uno R e uno S.

Gli enantiomeri hanno fra loro caratteristiche chimiche e fisiche identiche in un ambiente achirale, mentre i

diastereoisomeri hanno proprietà fisiche diverse da quelle degli enantiomeri e si possono separare da essi

attraverso la cristallizzazione.

MOLECOLE CICLICHE CON DUE O PIÙ CENTRI CHIRALI

Derivati disostituiti del ciclopentano

Esempio:

Il 2-metilciclopentanolo, composto con due centri chirali, secondo la regola, dovrebbe avere 4 stereoisomeri. Sia

l’isomero cis che quello trans sono chirali, entrambi sottoforma di coppie di enantiomeri.

Derivati disostituiti del cicloesano

I derivati del cicloesano esistono nelle loro conformazioni a sedia, è utile rappresentarli però a due dimensioni.

Esempio:

Il 3-metilcicloesanolo ha due stereocentri e quindi può avere un numero massimo di 4 stereoisomeri: la coppia

enantiomerica cis e quella degli isomeri trans.

ATTIVITÀ OTTICA

Gli enantiomeri sono due composti diversi e quindi possiedono delle proprietà diverse. Infatti, ognuno dei due

enantiomeri fa ruotare il piano della luce polarizzata nella direzione uguale e opposta rispetto all’altro

enantiomero e per questo, gli enantiomeri sono otticamente attivi.

Questo accade perchè la luce è costituita da onde che vibrano in tutti i piani perpendicolari alla direzione di

propagazione e alcuni materiali filtrano le onde luminose, trasmettendo solamente quelle che vibrano in piani

paralleli. In questa maniera, la luce emessa è polarizzata nel piano, ossia oscilla solamente in un unico piano.

Questa è la somma vettoriale di onde di luce polarizzata circolarmente a sinistra e a destra che si propagano nello

spazio a secondo eliche sinistrose e destrose. Queste due forme di luce sono enantiomeriche (in quanto non

sovrapponibili) e, visto che ruotano in senso opposto, reagiscono in maniera opposta con le molecole chirali. Il

risultato è che i due enantiomeri ruotano il piano della luce polarizzata secondo due direzioni opposte.

Polarimetri

L’attività ottica di una molecola chirale viene misurata sperimentalmente con i polarimetri. Sono formati da una

sorgente di luce monocromatica, un filtro polarizzatore e un filtro analizzatore e una provetta portacampione. Una

provetta riempita di un solvente viene posta all’interno del polarimetro e il filtro analizzatore è regolato in modo che

il campo sia scuro (posizione 0°). Quando nella provetta viene messa la soluzione di un composto otticamente

attivo, una quantità di luce passa attraverso il filtro analizzatore, facendo ruotare il piano della luce polarizzata dal

filtro polarizzatore che ora si trova in un angolo diverso rispetto a quello analizzatore. Il numero di gradi di cui deve

essere ruotato il filtro analizzatore per ripristinare l’oscurità è la rotazione osservata. Se il filtro è ruotato verso

destra, si dice che il composto è destrorotatorio (+); mentre se viene ruotato verso sinistra si dice levorotatorio (-

).

La rotazione dipende dalla concentrazione del composto, dalla lunghezza della provetta, dalla temperatura, dal

solvente e dalla lunghezza d’onda della luce. La rotazione specifica è la rotazione osservata a una specifica

lunghezza della provetta (1 dm) e a una concentrazione di 1g/mL. Si calcola con la formula:

Una soluzione più concentrata ruota maggiormente il piano rispetto a una soluzione più diluita. Il valore assoluto

della rotazione specifica di due enantiomeri è lo stesso ma il segno è opposto.

Miscele rameiche

Si tratta di una miscela equimolare di due enantiomeri. Poichè contiene lo stesso numero di molecole

destrorotatorie e levorotatorie, la sua rotazione specifica è 0, ossia è otticamente inattiva ed è indicata con ±.

Purezza ottica ed eccesso enantiomerico

Per descrivere la composizione di una miscela di due enantiomeri e stabilire quale dei due sia il più abbondante, si

usa la purezza ottica percentuale che si calcola facendo il rapporto fra la rotazione specifica della miscela e la

rotazione specifica dell’enantiomero puro:

Mentre l’eccesso enantiomerico è la differenza fra le percetuali dei due enantiomeri all’interno di una miscela:

TERMOCHIMICA E MECCANISMI DI REAZIONE

Il meccanismo di reazione è uno schema dettagliato, stadio per stadio, del modo in cui avviene una reazione

chimica. Illustra quali legami si rompono e quali si formano e l’ordine in cui questi processi avvengono. Mentre la

termochimica è lo studio dell’energia dell’intero sistema in ogni momento della reazione.

Molte reazioni chimiche avvengono attraverso delle collisioni molecolari, ossia le particelle di due sostanze poste

all’interno di un contenitore urtano il solvente e qualche volta collidono fra di loro. La velocità con cui ciò accade è

proporzionale alla loro energia cinetica, in quanto molecole con una maggiore energia cinetica danno delle

collisioni più energetiche. Durante queste collisioni, le strutture delle molecole si deformano, in particolare quelle

a maggiore energia comportano a una maggiore distorsione della struttura. Se le molecole collidono fra loro con

una forza sufficiente, allora i legami si possono rompere o anche possono portare a delle distorsioni che

comportano a un riarrangiamento dei legami. Alle alte temperature, l’energia di collisione è maggiore perchè le

molecole si muovono più rapidamente, le reazioni che avvengono così sono le reazioni termiche.

Nelle collisionil, l’energia cinetica diventa energia potenziale che viene immagazzinata nelle strutture chimiche

sotto forma di tensione strutturale. Viene rilasciata quando le molecole riacquistano dele geometrie ottimali.

Se un processo di collisione genera una reazione, al punto di energia più alto nel diagramma di reazione, si forma

una struttura detta stato di transizione ST, o complesso attivato, con una particolare geometria che presenta

legami parzialmente rotti e legami parzialmente formati. Da essa deriveranno nuove strutture che avranno una

minore tensione.

I diagrammi di reazione servono per mostrare le variazioni energetiche delle molecole coinvolte in una reazione

chimica: i valori dell’energia si trovano sulle ordinate, mentre la diversa posizione degli atomi nel corso della

reazione è la coordinata di reazione, che descrive l’avanzamento della reazione in funzione dei cambiamenti di

struttura. I minimi della curva sono le strutture stabili, con un tempo di vita definito, mentre gli altri punti

rappresentano delle strutture instabili che non possono essere isolate. Le posizioni più vicine ai reagenti

rappresentano delle strutture che sono più simili ai reagenti, mentre quelle più vicine ai prodotti rappresentano

quelle più simili ai prodotti. Qualsiasi collisione che aumenta l’energia dei reagenti ma non abbastanza da

raggiungere lo stato di transizione non porta ai prodotti; mentre la maggior parte delle collisioni che hanno energia

sufficiente portano alla formazione di strutture da cui poi deriveranno i prodotti della reazione, insieme al rilascio di

energia.

La termodinamica è lo studio delle energie relative di due specie chimiche che corrispondono ai due minimi nel

diagramma di reazione. Il tipo di energia varia in base alla reazione; per quelle a pressione costante, si utilizza

l’energia libera di Gibbs e controlla la velocità e l’equilibrio delle reazioni. La variazione di energia libera di Gibbs

è:

La differenza fra l’energia libera di Gibbs fra i reagenti e lo stato di transizione è l’energia libera di attivazione che

controlla la velocità della reazione e la capacità dei reagenti di raggiungere lo stato di transizione. Visto che gli stati

di transizione hanno sempre più energia rispetto ai reagenti, la variazione ΔG è positiva. Se la reazione è agevole e

veloce, il ΔG è basso e la reazione è veloce, mentre se è difficile da raggiungere lo stato di transizione il ΔG è alto e

la reazione è lenta. Se i prodotti sono più stabili, la variazione di energia è negativa, quindi la reazione è favorita ed

è esoergonica. Mentre se la variazione è positiva, la reazione è sfavorita ed è endoergonica.

La variazione dell’energia libera di Gibbs dipende dalla variazione dell’entropia e dell’entalpia:

L’entalpia H identifica l’energia riferita ai legami chimici e alla solvatazione, ossia all’interazione fra la molecola in

esame e le molecole di solvente che circondano la soluzione; mentre la differenza di entalpia fra i reagenti e i

prodotti è definita come il calore di reazione. Se i legami formati dai prodotti sono più forti di quelli dei reagenti, si

libera calore, la soluzione si scalda e si ha una reazione esotermica; mentre se i legami dei prodotti sono più deboli,

il calore viene assorbito dalla soluzione e la reazione è endotermica. Le strutture che hanno legami più forti p che

sono solvatate meglio sono più stabili e quindi hanno una minore entalpia.

L’entropia S misura il grado di disordine rispetto all’ordine e il disordine è favorito. Quando le molecole si

frammentano o vibrano (rotazione dei legami), aumenta la loro libertà di movimento e l’entropia diventa più

favorevole. La variazione di entropia è favorevole al processo quando è positiva, ossia quando aumenta il disordine;

mentre è sfavorevole quando è negativa, ossia quando aumenta l’ordine.

Le reazioni avvengono se i prodotti sono più stabili dei reagenti e se la barriera energetica è sufficientemente bassa.

Una reazione è favorita se i prodotti hanno una minore energia libera di Gibbs rispetto ai reagenti: se i legami sono

più forti, se si formano acidi o basi più deboli, se si formano più molecole di quelle consumate.

ACIDI E BASI

la maggior parte delle reazioni organiche è costituita da reazioni acido – base o almeno di una catalisi acido/base in

alcuni passaggi. Secondo Bronsted e Lowry, un acido è un donatore di protoni, mentre una base è un accettore di

protoni e quindi, una reazione di trasferimento protonico comporta il trasferimento di un protone da un donatore

a un accettore di protoni. La coppia di molecole/ioni che si interconvertono per il trasferimento di un protone è detta

coppia coniugata acido-base. La neutralizzazione di un acido da parte di una base comporta una reazione di

trasferimento protonico in cui l’acido diventa la sua base coniugata e la base diventa il suo acido coniugato.

Acidi e basi di Lewis

Un acido è una specie che può formare un nuovo legame covalente accettando una coppia di elettroni acquistando

una carica negativa, mentre una base è una specie che può formare un nuovo legame covalente donando una

coppia di elettroni e acquistando una carica positiva. La coppia di elettroni di valenza non viene del tutto ceduta,

come accade nel legame ionico, ma viene condivisa fra i due atomi per formare il legame covalente.

Tutte le basi di Bronsted – Lowry sono anche basi di Lewis e lo stesso discorso vale per gli acidi. Ma il modello di

Lewis è più generale perchè non riguarda solo le reazioni di trasferimento protonico. Infatti una reazione acido –

base per Lewis può funzionare anche con un acido aprotico, ossia un acido che non agisce da donatore di protoni

ma che è un accettore di coppie di elettroni in una reazione acido – base di Lewis.

Nelle reazioni organiche si nota che le regioni ad elevata densità elettronica reagiscono con le regioni a bassa

densità elettronica di altri ioni o molecole, portando alla formazione di nuovi legami covalenti. Per questo si

definisce come nucleofilo una specie ricca di elettroni, attratta da regioni a bassa densità (come un nucleo

atomico); e elettrofilo una specie povera di elettroni, attratta da regioni ad alta densità elettronica. I nucleofili

sono analoghi alle basi di Lewis, mentre gli elettrofili agli acidi di Lewis.

Criteri di classificazione

L’acidità di un acido viene determinata dalla stabilità dell’anione che forma con la deprotonazione: più stabile è,

più è acido l’acido da cui deriva.

L’acidità relativa all’interno di uno stesso periodo della tavola periodica dipende dall’elettronegatività: tanto è

maggiore, tanto è maggiore la forza con cui esso attrae gli elettroni e tanto è più stabile l’anione. Questi confronti di

elettronegatività sono validi solamente se vengono fatti all’interno di atomi che appartengono allo stesso