Fondamenti chimici per l’ingegneria ambientale - Chimica organica

CHIMICA ORGANICA

28/11/2025

CHIMICA ORGANICA= si occupa della struttura, proprietà, composizione, preparazione e reattività dei

composti del CARBONIO.

Il carbonio forma 4 legami (σ / σ e 4 e- per raggiungere l’ottetto (nel livello elettronico più esterno) →

):

alta versatilità. Forma legami molto stabili; legami forti perché è molto piccolo.

Studieremo…

IDROCARBURI:

- ALCANI, CICLOALCANI

- ALCHENI

- ALCHINI

- ARENI o COMPOSTI AROMATICI

ALOGENURI ALCHILICI o ALOGENOALCANI

ALCOLI

ETERI

TITOLI E SOLFURI

AMMINE

ACIDI CARBOSSILICI E DERIVATI

IDROCARBURI:

ALCANI

Formula generale C H , con n intero >=1.

n 2n+2

Sono saturi e ogni atomo di C è legato a 4 altri atomi (C o H).

Ha ibridazione sp3 (=ha ibridato tutti i 4 orbitali in 1 s e 3 p e ha formato 4 orbitali sp3), 4 legami σ

(=singoli), geometria tetraedrica (regolare o distorta).

es. metano → 4 atomi identici → geometria tetraedrica regolare= tutti gli angoli sono uguali.

se fosse geometria tetraedrica distorta= quando al posto dell’H ci metto

qualcos’altro; per esempio un altro gruppo CH3 → cambiano gli angoli.

C’è una sovrapposizione:

es. METANO, CH4: Gli sp3 sono sovrapposti con gli s dei 4 atomi di H

ETANO, C2H6: Ha 4 sp3 → 3 sovrapposti con gli s dell’H; l’altro deve formare un legame σ con

l’altro C e forma un legame sp3-sp3

RAPPRESENTAZIONE DELLA STRUTTURA

N.B.

FORMULA PROSPETTICA= i legami che vengono avanti rispetto al piano li indico con dei cunei pieni,

quelli dietro con dei cunei vuoti. Quelli sul piano con delle linee semplici.

FORMULA DI STRUTTURA A SCHELETRO= sottintendo i C e H e li rappresento con dei trattini.

Vertici= carbonio. Sottintesi gli H perché so che il C è tetraedrico.

ISOMERI STRUTTURALI o COSTITUZIONALI

Composti con la stessa formula bruta ma diversa connettività. Composti che hanno lo stesso numero di

atomi di C e H ma sono legati in modo diverso.

NOMENCLATURA

1) Suffisso -ano perché è un alcano.

2) Prefisso in base al numero di atomi di C

GRUPPO ALCHILICO= gruppo sostituente che proviene da un alcano.

etil → 1 gruppo

metil → 2 gruppi

propil → 3 gruppi

3) Sostituenti identificati prima della radice usando il nome del sostituente e la posizione sulla catena:

- Nome: del gruppo alchilico corrispondente, ottenuto dall'idrocarburo sostituendo -ano con

-ile.

- Posizione: numerare la catena dall’estremità assegnando il numero più piccolo al 1^

sostituente incontrato. (Se nessuna differenza il numero più basso al 2^ sostituente).

4) Se più sostituenti uguali: aggiungere prefissi di-, tri-, tetra-...

5) Se più sostituenti diversi, elencarli in ordine alfabetico (di-, tri-, tetra-... non contano).

ROTAZIONE LIBERA= Il legame singolo sigma ha simmetria cilindirca, ovvero è a libera rotazione

attorno al legame singolo. Attorno a uttti i legami singoli c’è libera rotazione → non posso separare

fisicamente un oggetto dall’altro. Sono 2 isomeri che si interconvertono a temperatura ambiente. Quindi

ho entrambi i tipi che possono interconvertirsi. Questi vengono chiamati:

L’isomeria è composta dagli isomeri di struttura che ho appena visto e dagli:

STEREOISOMERI

Composti con la stessa connettività tra gli atomi ma diversa disposizione degli atomi nello spazio. Si

dividono in:

(STEREO)ISOMERI CONFORMAZIONALI= stereoisomeri che possono essere interconvertiti per

semplice rotazione di atomi o raggruppamenti di atomi intorno a un legame semplice centrale.

CONFORMAZIONE SFALSATA= gli atomi di H sono sfalsati di 60° tra quelli davanti e dietro. Gli atomi

sono più lontani dagli altri → più stabile → preferita.

CONFORMAZIONE ECLISSATA= gli atomi di H davanti coprono quelli dietro. Ci vuole più energia per

rompere i legami → hanno energia di potenziale più alta e sono meno stabili.

Queste 2 conformazioni si interconvertono a temperatura ambiente.

SUPERFICIE DI POTENZIALE: ci sono 3 conformazioni sfalsate e 2 eclissate separate da una barriera

di attivazione piccola → con l’energia che hanno le molecole possono superare queste barriere. Non

posso seprararle.

PROIEZIONI DI NEWMAN= Rappresentazione in cui gli atomi dietro li metto attorno a un cerchio grande

(che corrisponde all’atomo di C) mentre quelli davanti attorno a un puntino piccolo (che corrisponde

all’atomo di C).

(STEREO)ISOMERI CONFIGURAZIONALI= Stereoisomeri che non possono essere interconvertiti per

semplice rotazione di atomi o raggruppamenti di atomi intorno a un legame semplice centrale. Questi si

dividono in:

ISOMERI OTTICI o ENANTIOMERI= isomeri configurazionali le cui strutture sono l’immagine speculare

l’una dell’altra, tra loro non sovrapponibili.

e

ISOMERI GEOMETRICI (CIS TRANS) (che vedrò dopo)

STEREOCENTRO o CENTRO CHIRALE o CENTRO STEREOGENICO= centro se il C è legato a 4

oggetti diversi.

CHIRALITA’= oggetti non sovrapponibili alla propria immagine speculare.

ENANTIOMERI= 2 molecole chirali che sono l’una l’immagine speculare dell’altra. Spesso contengono

un atomo di C tetraedrico asimmetrico (centro chirale).

POTERE OTTICO ROTATORIO= ruotano il piano della luce polarizzata nello stesso angolo ma in verso

opposto. Non ha corrispondenza con la struttura rappresentativa.

Vengono indicati con + e - :

- isomero destrogiro (con potere destrorotatorio, +);

- isomero levogiro (con potere levorotatorio, -).

Indicano i piani in cui ruota la luce polarizzata.

RACEMO= miscela 1:1 di 2 enantiomeri (miscela racemica). Nessuna rotazione del piano della luce

polarizzata.

CONFIGURAZIONE ASSOLUTA DEGLI ENANTIOMERI

Regole CAHN, INGOLD e PRELOG (CIP).

Assegnare la priorità ai 4 gruppi legati allo stereocentro:

1) Guardo il centro chirale e do la priorità in base al Z (numero atomico, di protoni) a tutti i 4

sostituenti che gli stanno intorno: gli atomi direttamente legati allo stereocentro (>Z priorità

più elevata). Il più basso è l’H → priorità minima.

2) Se stesso elemento legato allo stereocentro: Z del successivo e così via.

Es. 3-metil-eptano

- Guardo il centro chirale; a chi è legato? Do la priorità a tutti i

Tutti C → non ho possibilità di discriminare. Vado avanti.

- Due C sono legati a loro volta a un C → non posso discriminare MA un C è legato a un H

→ ha priorità più bassa perché Z dell’H < Z del C.

- Un C è legato a C H H e un C è legato a 3 H → il primo ha priorità più alta.

Dopo aver dato le priorità mi devo mettere con il sostituente a priorità più bassa più lontano da me (più

lontano dall’H oppure devo invertire la configurazione (=guardo comunque dritto ma se giro orario, tengo

conto dell’antiorario):

Poi valuto in che direzione ruoto in base alle priorità:

- Se numeri 1, 2, 3 in ordine orario → ENANTIOMERO R (Rectus)

- Se numeri 1, 2, 3 in ordine antiorario → ENANTIOMERO S (Sinister)

Se metto un altro metile → potrei avere un altro centro chirale.

Sono a coppie immagini speculari l’una dell’altra.

Per 2 centri chirali: 2 coppie di Enantiomeri e 4 coppie di Diastereoisomeri.

ENANTIOMERI= quando cambiano entrambe le configurazioni. RS → SR

DIASTEREOISOMERI= quando cambia 1 sola configurazione. RR → RS

CHIRALITA’ OLTRE GLI ALCANI

Poiché l'organismo umano è un ambiente chirale, i 2 enantiomeri interagiscono differentemente:

es. con gli odori → R -carvone → sa di menta

S -carvone → sa di cumino

1 dei 2 enantiomeri può essere tossico.

4/12/2025

PROPRIETA’ FISICHE

FORZE DI LONDON= Forze intermolecolari dominanti negli alcani che sono formati da legami singoli,

c’è libera rotazione. Possono assumere tutte le conformazioni. In media, i piccoli momenti di dipolo dei C

e H, generano un momento di dipolo totale della molecola che è nullo.

Gli alcani non possono essere polari. Le uniche interazioni sono tra un dipolo istantaneo e un dipolo

indotto → molecole apolari.

Sono più forti per maggiore massa molare. A parità di massa molare, forze di London più forti per

maggiore superficie molecolare.

POLARIZZABILITA’= aumenta con la dimensione della molecola.

Le forze di London aumentano d’intensità mano a mano che aumenta la molecola. → e- più lontani

possono deformarsi più facilmente.

Gli isomeri di struttura cambiano per disposizione e disponibilità con cui le molecole si possono

avvicinare:

- tanto più sono SFERICHE → più DEBOLI sono le Forze di London → Temperatura più bassa;

- tanto più sono LINEARI → più FORTI sono le Forze di London → Temperatura più alta.

PROPRIETA’ CHIMICHE DEGLI ALCANI

Reazione di COMBUSTIONE= una mole di combustibile in presenza di O per formare CO2 e H2O; sono

tutte esotermiche → ΔH < 0

Reazione di ALOGENAZIONE RADICALICA

In presenza di agenti esterni (es. raggi UV) e un alogeno (es. Cl2), possono dare una reazione di

alogenazione radicalica. Avviene la sostituzione di un atomo di Cl con uno di H con formazione di HCl e

del derivato clorurato. Meccanismo radicalico, reazioni che vanno a catena.

Ci sono almeno 3 stadi:

- INIZIAZIONE= formazione di specie radicaliche. Si crea un radicale dal nulla: una specie

reagisce in presenza di radiazioni UV, si spezza il legame e si ha una scissione omolitica del

legame= uno degli e- va con un Cl e l’altro va con l’altro Cl: si creano 2 radicali Cl punto. Il primo

radicale comincia la fase di…

- PROPAGAZIONE= un Cl punto reagisce con una prima molecola di CH4 di metano si spezza un

legame di CH e uno degli e- forma un nuovo legame con l’e- del Cl radicale e l’altro col C. CH3

può reagire a sua volta con il Cl, si rompe il legame, un e- va sul Cl e l’altro forma un legame con

il radicale CH3 → si forma il Cl-CH3 e un Cl. che può continuare la reazione interna. Il Cl. andrà

avanti a formare altre specie CH3 e tutti i derivati alchilati.

- TERMINAZIONE= dai 2 radicali si forma una specie non radicalica, blocca la presenza del

radicale (es. le 2 specie Cl si ritrovano). → Non ci sono più radicali nella miscela.

CICLOALCANI

Formula generale C H con n intero >=3

n 2n

Saturi, ibridazione C di tipo sp3 (→tetraedrici), 4 legami sigma.

NOMENCLATURA: prefisso ciclo- alla radice dell’alcano e poi seguono le stesse loro regole.

Il fatto che siano a ciclo definisce un limite per gli atomi interni → gli angoli interni sono più piccoli e

creano delle TENSIONI AD ANELLO. I cicloalcani con pochi atomi di C (C3 e C4) sono fortemente

TENSIONATI= con forti tensioni ad anello.

C4, C5, C6 hanno tensioni ad anello che si riduce sempre di più. Da queste inizia ad esserci un gioco

conformazionale all’interno delle molecole nonostante siano vincolate nell’anello.

Non ci sono delle conformazioni esatte (es. C4 non è un quadrato perfetto, né C5 un pentagono perfetto)

ma con una leggera piega → CONFORMAZIONI RIPIEGATE o a FARFALLA.

Sono degli isomeri conformazionali che possono ruotare attorno a dei legami semplici. Questo si nota

ancora di più nel C6H12 dove si possono trovare le:

- CONFORMAZIONE A SEDIA

- CONFORMAZIONE A BARCA

Dalla 1^ conformazione a barca, un C va verso l’alto e si forma la conformazione a barca, per poi far

scendere un C verso il basso e ottenere la 2^ conformazione a barca che è esattamente l’opposto della 1^.

Si distinguono 2 set di protoni diversi:

- Protoni EQUATORIALI (rosa)= sono disposti nel piano dell’anello. Gli atomi di C sono paralleli

tra di loro. Conformazione di minima energia e maggiore stabilità per le molecole cicliche grazie

alle minori interazioni steriche rispetto alle assiali.

- Protoni ASSIALI (blu)= sono disposti perpendicolarmente all’anello. Sono orientati inversamente

su C vicini (=se un atomo di C va su, l’altro va giù).

Per ogni carbonio ho un assiale e un equatoriale: avrò 6 equatoriali e 6 assiali.

Passando da una conformazione a sedia all’altra i 6 equatoriali diventano assiali e viceversa.

La barca è meno possibile rispetto alla sedia perché c’è più ingombro sterico tra gli H.

BARCA → livello energetico più alto. → minimo locale perché permette il passaggio da una sedia

all’altra.

SEDIA → conformazione più stabile.

Mano a mano che aumenta il numero di legami, la superficie conformazionale diventa sempre più

complicata.

Nel cicloesano le 2 conformazioni a sedia sono indistinguibili → infatti hanno la stessa energia.

MA se metto un sostituente diverso (es. al posto dell’H metto un METILE) → l’interconversione avviene

ma le 2 sedie non saranno uguali perché CH3 in un caso è in una posizione equatoriale e non da

fastidio, in un caso è in una posizione assiale: C con i suoi 3 H che danno un po’ più di ingombro sterico

rispetto agli assiali vicini → tra le 2 conformazioni a sedia ce n’è 1 favorita, quella che garantisce minor

ingombro sterico.

ISOMERI GEOMETRICI o CIS-TRANS= isomeri configurazionali (=NON interconvertibili per semplice

rotazione) aventi una diversa disposizione dei sostituenti rispetto a un legame multiplo C=C o a un

anello. Tipica dei cicloalcani con sostituenti identici. I 2 sostituenti devono essere uguali.

TRANS= i 2 sostituenti sono da parti opposte rispetto al piano.

CIS= i 2 sostituenti sono dalla stessa parte di piano.

Cis e Trans è tipica dei CICLOALCANI o degli ALCHENI.

Fin’ora abbiamo visto la parte degli IDROCARBURI SATURI: ALCANI e CICLOALCANI.

Ora guardiamo gli IDROCARBURI INSATURI: ALCHENI, CICLOALCHENI, ALCHINI, CICLOALCHINI.

ALCHENI

Formula per alcheni con un solo doppio legame: C H , con n>=2.

n 2n

Hanno l’insaturazione= hanno 2 atomi di C che sono legati con un doppio legame; sono ibridati sp2,

quindi formano una geometria trigonale planare → 3 orbitali ibridi sp2 tutti sul piano a circa 120° l’uno

dall’altro e un orbitale non ibridato p perpendicolare al piano. Gli orbitali sp2 servono per formare il

legame singolo C-C e i legami singoli C-H. Gli orbitali p servono per dare la sovrapposizione laterale e

formare il doppio legame.

NOMENCLATURA