Appunti Chimica organica per il test di Medicina (parte I)

Appunti di chimica organica per il test di ammissione alla facoltà di medicina e chirurgia (parte I)

Sofia De Fazi

Indice

• Introduzione
• Il carbonio
• Le isomerie
• Le caratteristiche dei composti organici
• Idrocarburi
• Idrocarburi alifatici
• Alcani
• Cicloalcani
• Alcheni
• Alchini
• Idrocarburi aromatici
• Petrolio

Introduzione

La chimica organica è lo specifico ambito della chimica dedicato allo studio del carbonio e dei suoi composti. Poiché inizialmente si era soliti pensare che i composti del carbonio derivassero essenzialmente dall'attività biologica di animali e vegetali, furono chiamati composti organici. In seguito all'esperimento del chimico tedesco Wöhler, che riuscì a sintetizzare un composto organico presente in soluzione nel cianato di ammonio, riscaldando un composto inorganico, numerosi furono i composti del carbonio prodotti per sintesi in laboratorio.

I composti organici sono i composti del carbonio. I composti organici contengono sempre carbonio (C) e idrogeno (H); sono presenti con frequenza e abbondanza minori anche ossigeno (O), azoto (N), zolfo (S) e fosforo (P). Nella tavola periodica degli elementi solamente l'idrogeno è collocato in alto a sinistra, mentre gli altri 5 sono vicini in alto a destra. I loro atomi hanno tutti un piccolo raggio atomico e un valore di elettronegatività molto simile: possono quindi formare legami covalenti forti.

I composti organici vengono suddivisi in 3 gruppi:

• Idrocarburi -> formati esclusivamente da C e H.
  • Idrocarburi alifatici.
  • Idrocarburi aromatici.
• Derivati degli idrocarburi -> formati da C, H, O, P, S, N.
  • Alogenati.
  • Azotati.
  • Ossigenati.
• Biomolecole -> formate da C, H, O, N.
  • Carboidrati.
  • Lipidi.
  • Proteine.
  • Acidi nucleici.

Il carbonio

Le caratteristiche dell'atomo di carbonio sono:

• Il C appartiene al gruppo IV A della tavola periodica.
• Nello stato fondamentale, il C ha configurazione elettronica esterna 2s² 2p² e la presenza di 4 elettroni spaiati nel livello energetico esterno gli permette di formare 4 legami covalenti. Quando deve combinarsi con altri atomi, assorbe energia dall'esterno e trasferisce un elettrone della coppia dell'orbitale 2s a un orbitale 2p (promozione elettronica). In questo modo, il C passa allo stato eccitato e assume configurazione elettronica esterna 2s¹ 2p³; così aumenta il numero degli elettroni spaiati (da 2 a 4).
• Quando un orbitale sp³ si combina con uno, due o tre orbitali p il C può ibridarsi sp³, sp² o sp:
  • Ibridazione sp³ -> il C si lega a 4 atomi e forma 4 legami sigma. I 4 orbitali ibridi degeneri (=aventi la stessa energia) si orientano verso i vertici di un tetraedro regolare con angoli di 109,5°.
  • Ibridazione sp² -> il C si lega a 3 atomi e forma un doppio legame (1 legame sigma + 1 legame pi-greco). I 3 orbitali ibridi degeneri si dispongono su un piano passante per il nucleo dell'atomo e sono orientati verso i vertici di un triangolo equilatero con angoli di 120°.
  • Ibridazione sp -> il C si lega a 2 atomi e forma due legami doppi oppure un legame triplo (1 legame sigma + 2 legami pi-greco). I 2 orbitali ibridi degeneri si orientano lungo una retta passante per il nucleo dell'atomo, a 180° l'uno dall'altro.

Con orbitali ibridi sp il C forma legami sigma, mentre con quelli non ibridi sp forma legami pi-greco. Il C sp² è insaturo, il C sp³ è saturo perché ha il massimo numero di legami sigma. Nei composti organici gli atomi di carbonio sono sempre ibridati e formano sempre 4 legami covalenti.

Il numero di ossidazione (n.o.) del C assume tutti i valori compresi tra -4 e +4, e ciò permette al C di formare un numero infinito di composti. L'atomo di C può assumere valori diversi nella stessa molecola, quindi si deve attribuire il n.o. a tutti gli atomi di C singolarmente:

• Nel legame tra 2 atomi di C il n.o. di C è 0 perché gli elettroni di legame sono esattamente condivisi.
• Nel legame tra H o metalli e C il n.o. di C è -1 perché il C è più elettronegativo.
• Nel legame tra non metalli (O, N, S, alogeni) e C il n.o. di C è +1 perché il C è meno elettronegativo.

La somma algebrica dei valori di ciascuno legame rappresenta il n.o. dell'atomo di C considerato.

Grazie al valore medio di elettronegatività (2,5), il C non ha tendenza a perdere o acquistare elettroni di legame, ma unicamente a condividerli con altri atomi formando legami covalenti poco polari, forti e stabili.

Il piccolo raggio atomico (77pm) consente al C di formare legami semplici, doppi e tripli e il suo scarso ingombro facilita la formazione di legami stabili.

La grande tendenza alla concatenazione, ossia legarsi con altri atomi di C per formare catene aperte (lineari o ramificate) e chiuse; è resa possibile dal piccolo raggio atomico e dall'assenza nell'atomo di C di doppietti elettronici liberi nel livello energetico esterno.

Classificazione degli atomi di carbonio

Un atomo di C può essere classificato in base al numero di atomi di C ad esso legati:

• Primario -> legato a un solo atomo di C.
• Secondario -> legato a 2 atomi di C.
• Terziario -> legato a 3 atomi di C.
• Quaternario -> legato a 4 atomi di C.

Le isomerie

Si dicono isomeri due o più composti aventi la stessa formula molecolare (bruta o grezza), ossia medesima composizione chimica e quindi stesso peso molecolare, ma diverse formule di struttura. I principali tipi di isomeria sono:

• Isomeri di struttura (o strutturali o costituzionali)
  • Isomeri di catena;
  • Isomeri di posizione;
  • Isomeri di gruppo funzionale;
• Stereoisomeri
  • Isomeri di conformazione (o conformeri);
  • Isomeri di configurazione (o configurazionali);
  • Diastereoisomeri (o diastereomeri);
  • Enantiomeri (o isomeri ottici o antipodi ottici).

Gli isomeri di struttura hanno la stessa formula molecolare, ma differiscono per la diversa concatenazione degli atomi (= atomi legati in sequenze differenti).

L'isomeria di catena è relativa alla forma della catena carboniosa (lineare, ramificata o ciclica). Gli isomeri di catena sono composti che differiscono per il modo diverso con cui gli atomi di carbonio sono legati nella catena carboniosa. Hanno proprietà fisiche e chimiche diverse e sono separabili.

Gli isomeri di posizione sono composti che hanno la stessa catena carboniosa ma differiscono per la posizione nella catena di un sostituente (atomo o gruppo funzionale) o di un legame multiplo. Hanno proprietà fisiche e chimiche diverse e sono separabili.

Gli isomeri di gruppo funzionale sono composti che presentano gruppi funzionali diversi nella catena. Hanno proprietà fisiche e chimiche diverse e sono separabili. Il gruppo funzionale è un legame multiplo, uno specifico atomo o un gruppo atomico presente nella catena carboniosa.

Gli stereoisomeri sono composti in cui gli atomi sono legati nello stesso ordine o sequenza, ma sono disposti in modo diverso nello spazio, differiscono quindi per la disposizione spaziale.

Gli isomeri di conformazione sono composti che differiscono per l'orientazione nello spazio di atomi o gruppi atomici e che si possono interconvertire (=trasformarsi l'uno nell'altro) per rotazione intorno a un legame semplice C-C senza rottura di alcun legame chimico. I composti contenenti legami multipli (alcheni e alchini) o catena carboniosa ciclica (cicloalcani) non sono conformeri.

Due possibili conformazioni sono l'eclissata (gli atomi legati al C anteriore sono allineati a quelli del C posteriore) e sfalsata (gli atomi legati al C anteriore sono il più possibile distanti da quelli del C posteriore); è possibile passare dall'una all'altra conformazione facendo ruotare un atomo di C rispetto all'altro. Hanno le stesse proprietà fisiche e chimiche, ma non sono separabili perché si interconvertono molto velocemente.

Gli isomeri di configurazione sono composti che differiscono per l'orientazione nello spazio di atomi o gruppi atomici ma che non si possono interconvertire per rotazione attorno a un legame.

I diastereoisomeri sono stereoisomeri che non sono l'uno l'immagine speculare dell'altro. Un particolare tipo di diastereoisomeria è l'isomeria geometrica: gli isomeri geometrici sono composti che differiscono per la disposizione spaziale degli atomi o di gruppi atomici legati a due atomi di carbonio uniti da un legame semplice (cicloalcani) o doppio in posizione non terminale lungo la catena (alcheni).

L'isomero avente gli atomi o gruppi atomici con massa maggiore disposti dalla stessa parte rispetto al piano dell'anello carbonioso o al doppio legame si chiama cis; quello con gli atomi o gruppi atomici disposti da parte opposta si chiama trans. L'isomero cis ha proprietà fisiche, chimiche e biologiche diverse dall'isomero trans, perché i due isomeri non si possono interconvertire l'uno nell'altro. Non si ha isomeria geometrica quando allo stesso carbonio sp² sono legati due sostituenti uguali.

Gli enantiomeri (o isomeri ottici) sono stereoisomeri che sono l'uno l'immagine speculare dell'altro, ma non sono sovrapponibili né per rotazione né per traslazione del piano. Hanno le stesse proprietà achirali, fisiche e chimiche, ma diverse proprietà chirali (attività ottica e reattività). Una miscela equimolare (1:1) di due enantiomeri prende il nome di racemo. Il processo attraverso cui da un racemo vengono separati i due enantiomeri puri si chiama risoluzione.

Uno stereocentro (o stereogenico o carbonio asimmetrico o carbonio chirale) è un atomo di carbonio ibridato sp³ legato a 4 atomi o gruppi atomici diversi tra loro. Si indica con C*.

Regola di Van't Hoff: In una molecola con n stereocentri si possono individuare 2ⁿ forme stereoisomeriche. Se una molecola possiede più di uno stereocentro, il numero di stereoisomeri che si possono formare comprende anche i diastereoisomeri.

Una molecola che contiene uno stereocentro ed esiste sotto forma di due enantiomeri è detta molecola chirale (dal greco cheir = mano, ad indicare che tra due enantiomeri esiste la stessa relazione di specularità che c'è tra la mano destra e la sinistra, ossia l'una è l'immagine speculare, ma non sovrapponibile, dell'altra). Il requisito fondamentale affinché una molecola sia chirale è l'assenza di un piano di simmetria interno alla struttura, che divide la molecola in due metà che sono l'una l'immagine speculare dell'altra.

Nel caso in cui un composto presenti un piano di simmetria, i due isomeri che si formano sono sovrapponibili per rotazione del piano di 180°: essi sono identici (speculari e sovrapponibili) e sono detti forme meso.

L'attività ottica è la proprietà per cui i due enantiomeri fanno ruotare il piano della luce polarizzata (=costituita da onde elettromagnetiche che invece di vibrare su tutti i piani possibili perpendicolari alla direzione di propagazione, come la luce ordinaria, vibrano su un solo piano) di due angoli uguali ma in direzioni opposte (in senso orario o antiorario).

Il polarimetro è lo strumento che misura il potere ottico rotatorio di una sostanza otticamente attiva. Esso si compone di:

• Polarizzatore -> permette alla luce ordinaria di divenire polarizzata.
• Tubo portacampione -> contiene la soluzione del composto da esaminare.
• Prisma analizzatore -> determina l'angolo di cui viene ruotato il piano della luce polarizzata.