Chimica organica – Manuale completo con meccanismi di reazione e domande d'esame

Chimica Organica

Manuale di preparazione per l'esame — struttura, stereochimica,

nomenclatura, reattività

Chimica Organica (03123)

Corso di Laurea in Scienze Biologiche

Anno Accademico 2025/2026

Chimica Organica

Indice

1. Struttura e Legame: le Fondamenta 5

1.1 Ibridazione e orbitali . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

1.2 Idrocarburi e classificazione dei carboni . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

1.3 Coniugazione e risonanza . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

1.4 Aromaticità . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

Glossario . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

2. Stereochimica e Rappresentazioni Molecolari 10

2.1 Centri stereogenici, enantiomeri, diastereoisomeri . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

2.2 Configurazione R/S: le regole CIP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

2.3 Proiezioni di Fischer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

2.4 Isomeria E/Z . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

2.5 Conformazioni a sedia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

Glossario . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

3. Nomenclatura IUPAC 15

3.1 Regole generali . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

3.2 Alcheni e dieni . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

3.3 Alcoli, eteri, ammine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

3.4 Composti aromatici . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

3.5 Carbonili . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

Glossario . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

4. Sostituzione, Eliminazione, Alcoli e Alcheni 18

4.1 Sostituzione (SN1/SN2) ed Eliminazione (E1/E2) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

4.2 Reattività degli Alcoli . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

4.3 Reattività degli Alcheni . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

Glossario . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

1

Chimica Organica

5. Sostituzione Elettrofila Aromatica 22

5.1 Il meccanismo generale in due fasi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

5.2 Alchilazione di Friedel-Crafts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

5.3 Acilazione di Friedel-Crafts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

5.4 Nitrazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

5.5 Alogenazione aromatica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

Glossario . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

6. Carbonili I: Addizione Nucleofila 25

6.1 Il reattivo di Grignard . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

6.2 Riduzione con NaBH4 e LiAlH4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

6.3 Acetalizzazione: proteggere il carbonile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

6.4 Cianidrine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

6.5 Tautomeria cheto-enolica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

Glossario . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

7. Carbonili II: Aldoli, Immine e Ammine 28

7.1 Addizione aldolica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

7.2 Condensazione aldolica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

7.3 Reazione aldolica incrociata . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

7.4 Sintesi delle immine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

7.5 Amminazione riduttiva . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

Glossario . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

8. Acidi Carbossilici e Derivati 31

8.1 Sali degli acidi carbossilici . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

8.2 Esterificazione di Fischer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

8.3 Idrolisi basica — saponificazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

8.4 Condensazione di Claisen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

8.5 Reattività dei cloruri acilici . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

Glossario . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

2

Chimica Organica

9. Epossidi e Glicoli 34

9.1 Epossidazione . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

9.2 Apertura dell'epossido: due vie, due stereochimiche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

Glossario . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

10. Acidità e Basicità 36

10.1 Acidità: alcoli contro fenoli . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

10.2 Basicità: ammine alifatiche contro aromatiche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

Glossario . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

11. Mappa Sintetica — Prontuario Finale 38

11.1 Alcoli, eteri e composti dell'ossigeno . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

11.2 Composti azotati . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

11.3 Aldeidi, chetoni e derivati aldolici . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

11.4 Acidi carbossilici e derivati . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

11.5 Composti aromatici . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

3

Chimica Organica

1. Struttura e Legame: le Fondamenta

Ogni comportamento chimico che incontrerai in questo corso — la forma di una molecola, la sua reattività,

la stabilità di un intermedio di reazione — nasce dalla stessa causa profonda: il modo in cui gli orbitali

atomici del carbonio (e degli eteroatomi che lo accompagnano) si combinano per formare legami. Questo

primo capitolo costruisce le basi teoriche su cui si appoggia tutta la chimica organica che seguirà: senza un

possesso solido di ibridazione, geometria e coniugazione, i meccanismi di reazione dei capitoli successivi

restano una lista di frecce da memorizzare invece di un sistema logico da capire.

1.1 Ibridazione e orbitali 2 2 2

La teoria dell'ibridazione spiega perché il carbonio, con configurazione elettronica 1s 2s 2p , riesce a

formare quattro legami equivalenti anziché due, come suggerirebbe a prima vista lo stato fondamentale. Un

orbitale ibrido nasce dalla combinazione matematica di un orbitale s con uno o più orbitali p dello stesso

livello energetico: il numero di orbitali p coinvolti determina sia la geometria sia l'energia degli ibridi

risultanti.

DEFINIZIONE · ORBITALE IBRIDO

Orbitale atomico ottenuto dalla combinazione lineare di un orbitale s e di uno o più orbitali p dello stesso atomo e

livello energetico. Il numero di orbitali p mescolati determina la geometria risultante: più orbitali p partecipano

alla combinazione, più ampio è l'angolo tra gli ibridi ottenuti. 3

Esempio: Il carbonio del metano combina un orbitale 2s e tre orbitali 2p in quattro ibridi sp equivalenti, disposti

tetraedricamente a 109,5°.

Ibridazione Legami Geometria Angolo Esempio

σ

3

sp 4 Tetraedrica 109,5° CH , alcani

4

2

sp 3 (+ 1 Trigonale planare 120° alcheni, carbonile

π)

sp 2 (+ 2 Lineare 180° alchini, nitrili

π)

Conta i gruppi elettronici attorno all'atomo (legami + doppietti liberi + legami

σ

3 2

aggiuntivi): 4 gruppi sp , 3 gruppi sp , 2 gruppi sp. Ogni orbitale ibrido

π → → →

ospita sempre un legame oppure un doppietto di non legame, mai un legame

σ π:

il nasce sempre dagli orbitali p puri rimasti fuori dall'ibridazione.

π

ESEMPIO · IBRIDAZIONI MISTE IN MOLECOLE COMUNI

Nell'anidride carbonica O=C=O il carbonio ha ibridazione sp (2 legami + 2 legami geometria lineare), mentre

σ π,

2

ciascun ossigeno ha ibridazione sp : possiede 2 doppietti liberi e forma 1 legame + 1 legame con il carbonio

σ π

+ 3

centrale. Lo ione ammonio NH , al contrario, ha azoto sp con geometria tetraedrica: tutti e quattro gli orbitali

4

ibridi ospitano un legame incluso quello formato dal doppietto che l'azoto neutro dell'ammoniaca metteva a

σ,

disposizione prima della protonazione. 4

Chimica Organica 1. Struttura e Legame: le Fondamenta

I legami sigma e pi greco

Il legame nasce da una sovrapposizione frontale di orbitali, diretta lungo l'asse internucleare: consente la

σ

libera rotazione attorno al legame ed è lo scheletro portante di ogni molecola organica. Il legame nasce

π

invece da una sovrapposizione laterale di orbitali p puri, non ibridati e paralleli tra loro: è più debole del σ,

blocca la rotazione attorno al legame — da cui derivano la rigidità e la stereoisomeria degli alcheni, discussa

nel Capitolo 2 — ed è la sede principale della reattività di alcheni, alchini e sistemi aromatici che incontrerai

a partire dal Capitolo 4.

ERRORE COMUNE

Errore: Pensare che un doppio legame sia semplicemente ‘due legami cioè due legami identici disegnati in

σ’,

parallelo.

Perché si commette: Il disegno bidimensionale di una linea doppia non distingue visivamente i due tipi di

legame, e la parola ‘doppio’ suggerisce simmetria tra le due componenti.

Come evitarlo: Ricorda che un doppio legame è sempre 1 legame + 1 legame con proprietà — forza,

σ π,

geometria, reattività — profondamente diverse tra loro: è quasi sempre il non il a reagire nei meccanismi

π, σ,

che studierai.

1.2 Idrocarburi e classificazione dei carboni

Gli idrocarburi — composti costituiti esclusivamente da carbonio e idrogeno — sono il punto di partenza di

ogni classificazione in chimica organica, e la loro suddivisione in famiglie anticipa buona parte dell'indice

dei capitoli di reattività: gli alifatici aciclici comprendono alcani, alcheni e alchini; gli alifatici ciclici i

corrispondenti cicloalcani e cicloalcheni; gli aromatici i sistemi coniugati descritti nel paragrafo 1.4.

Le grandi famiglie degli idrocarburi

Idrocarburi

Alifatici aciclici Alifatici ciclici Aromatici

Alcani (C H )

n 2n+2 3

Gli alcani contengono esclusivamente legami semplici; tutti i loro carboni hanno ibridazione sp . La

classificazione di un atomo di carbonio si basa sul numero di legami C–C in cui è coinvolto, non sul numero

di idrogeni che porta: 5

Chimica Organica 1. Struttura e Legame: le Fondamenta

Classe Legami C–C

Primario (1°) 1 legame C–C

Secondario (2°) 2 legami C–C

Terziario (3°) 3 legami C–C

Quaternario (4°) 4 legami C–C

Questa classificazione torna costantemente nei capitoli sulla reattività: la

stabilità dei carbocationi (3° > 2° > 1°) è il criterio che decide se una reazione

procede per via S 1/E1 (monomolecolare) o S 2/E2 (bimolecolare) — vedi Capitolo

N N

4.

Proprietà fisiche

Il punto di ebollizione degli alcani aumenta con la massa molecolare, perché più elettroni disponibili

significano forze di van der Waals più intense tra le molecole. Diminuisce invece con la ramificazione: una

catena ramificata ha una superficie di contatto minore rispetto all'isomero lineare a parità di formula bruta,

quindi interazioni intermolecolari complessivamente più deboli e un punto di ebollizione più basso.

Cicloalcani

Nella nomenclatura dei cicloalcani sostituiti, l'anello è la catena principale se contiene più atomi di carbonio

della catena laterale (per esempio 1,3-dimetilcicloesano); se la catena laterale è più lunga dell'anello, è

l'anello stesso a diventare un sostituente (per esempio 1-ciclopentilcicloesano). La conformazione più stabile

del cicloesano è la sedia, priva di tensione angolare e torsionale; la barca è meno stabile per le interazioni

sfavorevoli tra i sostituenti che si affacciano l'uno verso l'altro (interazioni “flag-pole”). Il dettaglio delle

sedie e delle posizioni assiali/equatoriali è sviluppato nel Capitolo 2, dove serve per prevedere la stabilità

relativa dei diastereoisomeri.

Alcheni e alchini 2

Gli alcheni (C H , suffisso -ene) possiedono almeno un doppio legame C=C tra due carboni sp , con

n 2n

geometria trigonale planare attorno ad esso: è proprio questa planarità a generare l'isomeria cis/trans e E/Z

che approfondirai nel Capitolo 2. Gli alchini possiedono un triplo legame tra carboni sp, con geometria

lineare a 180°.

1.3 Coniugazione e risonanza

Quando doppietti liberi, legami o cariche si trovano su atomi adiacenti allineati nello stesso piano, i

π

rispettivi orbitali p possono sovrapporsi e delocalizzarsi: si parla allora di coniugazione. Questo concetto,

apparentemente astratto, è in realtà lo strumento che userai più spesso in tutto il corso per confrontare la

stabilità di intermedi di reazione e per prevedere quale prodotto si forma preferenzialmente.

6

Chimica Organica 1. Struttura e Legame: le Fondamenta

DEFINIZIONE · IBRIDO DI RISONANZA

La molecola reale non corrisponde a nessuna delle singole ‘forme limite’ di risonanza che si disegnano sulla carta,

ma a un ibrido: una struttura unica, con densità elettronica intermedia, che si ottiene concettualmente come

media pesata di tutte le forme limite plausibili.

ERRORE COMUNE

Errore: Trattare le forme limite di risonanza come se fossero molecole diverse in equilibrio chimico tra loro,

magari disegnando una freccia di equilibrio (⇌) tra l'una e l'altra.

Perché si commette: Le doppie frecce di equilibrio che si usano per altri contesti (per esempio la tautomeria

cheto-enolica del Capitolo 6) assomigliano visivamente alla freccia a due punte (↔) usata per la risonanza,

generando confusione.

Come evitarlo: Ricorda che le forme limite non esistono separatamente: sono solo modi diversi, tutti incompleti,

di rappresentare sulla carta un'unica distribuzione elettronica reale. Usa sempre la doppia freccia a due punte

(↔), mai quella di equilibrio, tra forme limite di risonanza.

Come riconoscere la forma limite di risonanza più realistica

1. Rispetta l'ottetto e minimizza le cariche formali

2. Carica negativa sull'atomo più elettronegativo

3. Più forme equivalenti contribuiscono, più stabilità

In pratica: tra due forme limite entrambe valide, vince quella con meno cariche formali; a parità di cariche,

vince quella che colloca il segno negativo sull'atomo più elettronegativo (e quello positivo sull'atomo meno

elettronegativo); infine, quando più forme equivalenti per energia sono disegnabili, la loro somma stabilizza

la molecola reale più di quanto farebbe una singola forma limite isolata.

Questo stesso criterio tornerà nel Capitolo 5 per lo ione acilio della acilazione di Friedel-Crafts (stabilizzato

per risonanza, motivo per cui non riarrangia mai) e nel Capitolo 9 per confrontare la stabilità del fenolato e

dell'alcossido nella scala di acidità.

1.4 Aromaticità

DEFINIZIONE · SISTEMA AROMATICO

Un sistema è aromatico se soddisfa simultaneamente quattro condizioni: è ciclico, è planare, è completamente

3

coniugato (un orbitale p disponibile su ogni atomo del ciclo, senza interruzioni sp ) e possiede 4n+2 elettroni π

delocalizzati sull'intero anello (regola di Hückel, con n intero non negativo).

Esempio: Il benzene ha 6 elettroni (n=1): è il caso di riferimento di tutta l'aromaticità.

π 7

Chimica Organica 1. Struttura e Legame: le Fondamenta

ESEMPIO · PERCHÉ IL BENZENE NON SI COMPORTA COME UN NORMALE TRIALCHENE

Il benzene non ha tre doppi legami localizzati come suggerirebbe una singola struttura di Kekulé, ma un ibrido di

risonanza in cui la densità elettronica è delocalizzata uniformemente sopra e sotto il piano dell'anello. Questa

π

delocalizzazione è alla base di tutta la reattività particolare — la sostituzione elettrofila aromatica, invece della

più ovvia addizione elettrofila degli alcheni — che studierai nel Capitolo 5.

DOMANDE D'ESAME 3

1. Perché il carbonio del metano ha ibridazione sp e non forma semplicemente due

legami come suggerirebbe la sua configurazione elettronica allo stato fondamentale?

3

Perché la promozione di un elettrone 2s a 2p e la successiva ibridazione sp permettono di formare quattro

legami invece di due: l'energia spesa per la promozione è ampiamente ripagata dall'energia rilas