Riassunto esame Chimica organica, Prof. Perrone Daniela, libro consigliato Fondamenti di chimica organica , Smith

CAP 3 ACIDI E BASI

Definizioni di acidi e basi:

​ •​ Arrhenius (1884):

​ •​ Acido: Sostanza che in acqua produce ioni H+.

​ •​ Base: Sostanza che in acqua produce ioni OH–.

​ •​ Limitata alle soluzioni acquose.

​ •​ Brønsted-Lowry (1923):

​ •​ Acido: Specie chimica che cede un protone.

​ •​ Base: Specie chimica che accetta un protone.

​ •​ Le reazioni acido-base comportano un trasferimento di protoni e sono

reversibili.

​ •​ Dopo il trasferimento di un protone:

​ •​ L’acido diventa la sua base coniugata.

​ •​ La base diventa il suo acido coniugato.

Acidità e basicità:

​ •​ Acidità: Tendenza di un composto a cedere un protone.

​ •​ Basicità: Tendenza di un composto ad accettare un protone.

​ •​ Relazione tra acidi e basi:

​ •​ Un acido forte ha una base coniugata debole.cede facilmente H^+

​ •​ Un acido debole ha una base coniugata forte.cede con difficoltà H^+,

Misura della forza di un acido:

​ •​ Ka (costante di dissociazione acida): maggiore è, più forte è l’acido.

​ •​ pKa = -log Ka (scala logaritmica per acidi organici).

​ •​ Acidi forti: pKa \leq 0.

​ •​ Acidi deboli: 4 \leq pKa < 40.

pH e relazione con pKa

​ •​ pH = -log [H3O+] → misura l’acidità di una soluzione.

​ •​ pH dipende da:

​ 1.​ Concentrazione dell’acido → più è alta, più pH è basso.

​ 2.​ Forza dell’acido → a parità di concentrazione, un acido più forte ha pH più

basso.

​ •​ pKa ≠ pH → pKa è una proprietà del composto, pH dipende dalla soluzione.

​ Acidi e basi organiche:

​ •​ Acidi organici:

​ •​ Esempio: Acidi carbossilici (gruppo -COOH).

​ •​ Tendono a comportarsi anche come basi.

​ •​ Basi organiche:

​ •​ Alcoli (-OH): acidi molto deboli.

​ •​ Ammine (-NH2): basi, formano acidi coniugati protonandosi.

​ Previsioni nelle reazioni acido-base:

​ •​ Identificare reagenti e prodotti:

​ •​ Acido, base, acido coniugato, base coniugata.

​ •​ L’equilibrio favorisce la formazione dell’acido più debole.

Fattori che influenzano l’acidità

1. Elettronegatività

​ •​ A parità di carica negativa, un atomo più elettronegativo stabilizza meglio la

base coniugata → acido più forte.

2. Effetto di risonanza

​ •​ Se la carica negativa è delocalizzata (ibrido di risonanza), la base coniugata è

più stabile → acido più forte.

3. Effetto induttivo

​ •​ Atomi elettronegativi vicino al gruppo acido attraggono densità elettronica,

stabilizzando la base coniugata → aumentano l’acidità.

4. Ibridazione

​ •​ Maggiore carattere s (es. sp) → maggiore stabilità della base coniugata →

acido più forte.

5. Dimensione dell’atomo

​ •​ Scendendo lungo un gruppo nella tavola periodica, atomi più grandi

stabilizzano meglio la carica negativa → acidi più forti (es. HI > HBr > HCl > HF).

Effetto del pH sulla struttura

​ •​ Se pH < pKa → il composto è prevalentemente nella forma protonata (acida).

​ •​ Se pH > pKa → il composto è prevalentemente nella forma deprotonata

(basica).

​ •​ Esempio: aspirina (pKa ~5)

​ •​ Nello stomaco (pH 1-2.5) → forma protonata (non ionizzata, lipofila, passa le

membrane).

​ •​ Nel sangue (pH 7.4) → forma ionizzata (solubile in acqua, non attraversa

facilmente le membrane).

Soluzioni tampone

​ •​ Definizione: sistema che mantiene stabile il pH di una soluzione.

​ •​ Costituenti: acido debole + sua base coniugata (o viceversa).

​ •​ Funzionamento: resiste a variazioni di pH aggiungendo H^+ o OH^-.

CAP 4 alcani e cicloalcani

1. Introduzione agli Idrocarburi

​ •​ Definizione generale:

​ •​ Composti organici contenenti esclusivamente atomi di carbonio (C) e

idrogeno (H).

​ •​ Tipologie:

​ •​ Saturi: alcani e cicloalcani (solo legami singoli C–C e C–H).

​ •​ Insaturi: alcheni, alchini (non trattati in questo materiale).

2. Gli Alcani

​ •​ Caratteristiche strutturali:

​ •​ Formula generale per alcani aciclici: C H₂ ₊₂.

​ •​ Tutti gli atomi di carbonio sono ibridati sp³ con angoli di legame di circa

109,5°.

​ •​ Sono definiti anche “idrocarburi saturi” perché presentano esclusivamente

legami sigma (σ), privi di doppi o tripli legami.

​ •​ Nomenclatura IUPAC degli Alcani:

​ •​ Struttura del nome IUPAC:

​ •​ Radice: indica la lunghezza della catena carboniosa continua (es. “pent” per

cinque atomi di C).

​ •​ Suffisso: “-ano” indica che il composto è un alcano.

​ •​ Prefisso: (quando presente) indica la presenza, il nome e la posizione dei

sostituenti, numerando la catena in modo da dare ai sostituenti i numeri più bassi possibili.

​ •​ Esempi pratici:

​ •​ Alcano lineare: es. pentano (CH₃CH₂CH₂CH₂CH₃).

​ •​ Alcano ramificato: es. 2-metilpentano (si assegna il numero “2” al metile in

modo corretto, non “4-metilpentano”).

​ •​ Isomeria costituzionale:

​ •​ Due o più composti con la stessa formula molecolare ma diversa disposizione

degli atomi (es. butano vs. isobutano, entrambi con formula C₄H₁₀).

​ •​ Il numero di isomeri aumenta esponenzialmente con la lunghezza della

catena (es. 3 isomeri per C₅H₁₂, 75 per C₁₀H₂₂, quasi 37 milioni per C₂₅H₅₂).

3. I Gruppi Alchilici

​ •​ Definizione:

​ •​ Rappresentati genericamente con “R–”.

​ •​ Si ottengono “rimuovendo” un atomo di idrogeno da un alcano e modificando

il suffisso da “-ano” a “-ile” (es. CH₃ → gruppo metilico).

​ •​ Tipologie di gruppi alchilici:

​ •​ Metile (–CH₃), etile (–CH₂CH₃), propile, butile, ecc.

​ •​ Classificazione in base al carbonio a cui sono legati:

​ •​ Carboni primari: legati a un solo altro carbonio.

​ •​ Carboni secondari: legati a due carboni.

​ •​ Carboni terziari: legati a tre carboni.

​ •​ Prefissi speciali per indicare particolari configurazioni:

​ •​ “iso-”: utilizzato quando il gruppo presenta una ramificazione tipica (ad

esempio, CH₃CH(CH₃)–).

​ •​ “sec-” e “terz-”: usati quando il gruppo alchilico è legato a un carbonio

secondario o terziario, evidenziando la diversa natura di sostituzione.

4. Reattività degli Alcani

​ •​ Bassa reattività:

​ •​ Essendo non polari e privi di gruppi funzionali, gli alcani mostrano poca

reattività rispetto a molti altri composti organici.

​ •​ Reazioni principali:

​ •​ Combustione:

​ •​ Reazione con ossigeno (O₂) che porta alla formazione di anidride carbonica

(CO₂) e acqua (H₂O); può essere completa o incompleta (con formazione di CO o C

residuo).

​ •​ Alogenazione radicalica:

​ •​ Processo che comporta la sostituzione di un atomo di idrogeno con un atomo

di alogeno (Cl, Br) tramite una catena reazionale suddivisa in fasi:

​ •​ Inizio: formazione di radicali liberi.

​ •​ Propagazione: i radicali reagiscono con l’alcano, sostituendo l’idrogeno.

​ •​ Terminazione: ricombinazione dei radicali.

5. Conformazioni degli Alcani

​ •​ Rotazione attorno ai legami C–C:

​ •​ La presenza di soli legami sigma permette una rotazione libera attorno al

legame carbonio–carbonio, dando origine a molte possibili conformazioni (conformeri).

​ •​ Proiezioni di Newman:

​ •​ Strumento grafico che mostra la disposizione degli atomi lungo l’asse del

legame C–C.

​ •​ Conformazione sfalsata:

​ •​ Minima energia; i gruppi sostituenti sono posizionati al massimo della

separazione, riducendo le repulsioni steriche.

​ •​ Conformazione eclissata:

​ •​ Energia potenziale massima (circa 12 kJ/mol superiore); i legami si

sovrappongono, aumentando la tensione torsionale.

​ •​ Caso specifico del Butano:

​ •​ Ha tre legami C–C; le rotazioni producono conformazioni diverse:

​ •​ Conformazione “anti”: i gruppi CH₃ sono posizionati opposti, risultando nella

disposizione più stabile.

​ •​ Conformazione “gauche”: i gruppi CH₃ sono vicini (a circa 60°), generando

tensione sterica; inoltre, esistono conformazioni eclissate ancora meno stabili.

6. I Cicloalcani

​ •​ Definizione:

​ •​ Idrocarburi saturi in cui gli atomi di carbonio formano un anello; formula

generale C H₂ .

​ •​ Esempi e loro tensioni interne:

​ •​ Ciclopropano: anello di tre atomi, angoli molto ridotti (60°) che generano forte

tensione angolare.

​ •​ Ciclobutano: tende a non essere planare, assumendo forme piegate per

ridurre l’eclissamento dei legami.

​ •​ Ciclopentano: non è planare; adotta una conformazione a “busta” (ripiegata)

per minimizzare le tensioni torsionali, anche se questo comporta una leggera riduzione degli

angoli di legame (da 108° a circa 105°).

7. Conformazioni del Cicloesano

​ •​ Conformazione a sedia:

​ •​ È la forma più stabile del cicloesano perché:

​ •​ Elimina la tensione angolare (gli angoli C–C–C si avvicinano ai 109,5° ideali).

​ •​ Minimizza la tensione torsionale (gli H sui carboni adiacenti sono sfalsati).

​ •​ Caratteristiche strutturali:

​ •​ L’anello è composto da sei atomi di carbonio, con tre C che si spostano “su”

(C1, C3, C5) e tre che si spostano “giù” (C2, C4, C6).

​ •​ Ogni carbonio porta due tipi di idrogeni:

​ •​ Idrogeni assiali: orientati lungo l’asse perpendicolare all’anello.

​ •​ Idrogeni equatoriali: disposti lungo il piano dell’anello.

​ •​ Inversione della sedia:

​ •​ Durante il ribaltamento, i gruppi assiali e equatoriali si scambiano di

posizione, ma le due conformazioni a sedia risultano identiche in termini di ene