Appunti di Chimica Organica

Chimica organica

Gli idrocarburi sono i composti più semplici della chimica organica perché formati solo da carbonio e idrogeno. Gli idrocarburi si dividono in:

• Alifatici
• Aromatici

Idrocarburi alifatici

Gli alifatici possono essere:

• Molecole lineari
• Molecole cicliche (si formano anelli)

All'interno del gruppo di molecole lineari abbiamo una suddivisione, in base alla presenza di singoli, doppi o tripli legami, in:

• Alcani
• Alcheni
• Alchini

All'interno invece del gruppo di molecole cicliche vi sono:

• Cicloalcani
• Cicloalcheni

Alcani

Definisce un composto in cui gli atomi di carbonio sono sempre legati da legami semplici. Hanno geometria sp³, simmetria tetraedrica e vi è solo la possibilità di legami sigma (legami singoli). I più semplici sono:

• (Forma bruta) → CH₄ - Metano: CH₄ (formula razionale)
• (Forma bruta) → C₂H₆ - Etano: CH₃CH₃
• (Forma bruta) → C₃H₈ - Propano: CH₃CH₂CH₃
• (Forma bruta) → C₄H₁₀ - Butano: CH₃CH₂CH₂CH₃

I nomi poi ricordano essenzialmente il numero degli atomi di carbonio presenti (pentano, esano ecc..). Una molecola può essere perfettamente lineare, ma anche in forma più complessa: ci saranno dei punti di ramificazione. Quindi una molecola che ha lo stesso numero di atomi potrebbe avere una struttura diversa, si dice che potrebbe avere una catena diversa. Si parla perciò di isomeria (isomero di catena), cioè stesso numero di atomi di carbonio e idrogeno ma con struttura diversa da quella lineare.

Alcheni

Hanno ibridazione sp² e geometria planare, con possibilità di formare legami sigma ma anche un legame π. Il legame π si trova al di sopra e al di sotto del piano individuato dal gruppo funzionale. La nuvola elettronica è disposta al di sopra e al di sotto del piano e sarà più attaccabile da gruppi reattivi presenti nell'ambiente. È importante specificare dove si trova il doppio legame perché la molecola può essere molto lunga. E proprio perché il doppio legame può trovarsi in posizioni diverse, abbiamo isomerie di posizioni di catena e quindi del doppio legame.

Particolarmente importante è definire la geometria di questo legame: è una geometria planare. I vari gruppi legati agli atomi di carbonio possono essere più o meno lunghi, o diversi tra di loro.

Immaginiamo il butene: Se i due gruppi metilici (CH₃) si trovano dalla stessa parte rispetto al piano che taglia la molecola si parla di stereoisomeria cis. Quando invece sono disposti lontano, si parla di tipo trans. Questo è importante soprattutto per il discorso dei lipidi di membrana che si caratterizzano per la presenza di doppi legami all'interno che hanno questa particolare geometria cis. Se la molecola è molto lunga subisce un piegamento, si curva, e nei lipidi di membrana insaturi hanno questa particolare geometria che è importante al fine di rendere la membrana più fluida e permettere il transito più fluido degli elementi.

Nel caso in cui ci siano 2 doppi legami si parla di dieni che possono essere:

• Coniugati: doppi legami intervallati da un singolo legame
• Cumulati: doppi legami adiacenti
• Isolati: più di un singolo legame tra un doppio legame

Quando ci sono più doppi legami si parla di polieni.

Alchini

Composti con almeno un triplo legame. Hanno geometria con ibridazione di tipo sp. Abbiamo un legame sigma e due legami π. Anche qui è importante indicare la posizione del triplo legame, si parla quindi di isomeria di gruppo funzionale.

Molecole cicliche

Se le molecole hanno struttura ciclica si parla semplicemente di:

• Cicloalcani
• Cicloalcheni

I più studiati sono i cicloalcani:

• Ciclopropano: anello a 3 atomi di carbonio. È poco riscontrabile.
• Ciclobutano: 88°
• Ciclopentano: 105°
• Cicloesano: 109,5°. Può avere più conformazioni:
  • A sedia: possono essere 2 conformazioni a seconda della posizione. È più accettata, perché c'è più distanza tra le nuvole elettroniche.
  • A barca: è una sola conformazione ed è meno preferita perché le nuvole elettroniche tendono ad avvicinarsi.

Esistono anche strutture dette ad anelli condensati, che sono più complesse. Gli atomi di carbonio sono elementi di giunzione tra un anello e l'altro. Questo è presente nel colesterolo.

Composti aromatici

Benzene

C₆H₆ con ibridazione sp². Presenta sei atomi di carbonio legati a 6 atomi di idrogeno. È una molecola ciclica. Ogni atomo di carbonio è legato ad altri due atomi di carbonio e un atomo di idrogeno. Tutti questi atomi hanno ibridazione sp² e sono tutti disposti su un unico piano. I legami sono sigma ma vi è anche la possibilità di formare legami pi greco.

Il primo scienziato che si interessò al benzene fu Kekulé. Kekulé immaginò che il benzene potesse esistere in 2 forme: in pratica ognuno di questi atomi di carbonio poteva formare doppi legami con gli altri atomi di carbonio. La formula di Kekulé prevedeva che questi doppi legami in qualche modo potessero ruotare.

In realtà questo discorso non è esattamente vero, ma è un po’ più complesso: non è che una struttura si inter-converte nell'altra. Ma è vero il fenomeno della risonanza: una molecola può essere descritta sia con una struttura che con un'altra e tutte e due spiegano le caratteristiche di quel composto ma nessuna delle due è esaustiva. Quindi tornando al discorso di prima si può dire che in realtà questi elettroni, che andranno a formare i doppi legami non sono ben localizzati, a differenza di quanto riteneva Kekulé, ma sono delocalizzati sulla struttura. Quindi questi elettroni non vanno mai ad individuare un vero e proprio doppio legame ma si distribuiranno sull'intera molecola.

Fu fatto un esperimento per misurare la distanza tra i vari atomi di carbonio che costituivano il benzene: si notò che la distanza di legame non era quella né di un singolo legame né di un doppio legame. La distanza tra due atomi di carbonio con singolo legame è di 1,54 Å (Å sta per Armstrong). Quella di un doppio legame è di 1,34 Å. Quando si misurò la distanza dei legami nel benzene si notò che era in realtà di 1,39 Å. Questo significava che non c'erano né singoli né doppi legami, ma c'erano legami intermedi. Questo perché quando si andavano a delocalizzare questi elettroni, i lobi degli orbitali p, si espandevano e si sovrapponevano sui lobi degli altri atomi. Quindi si poteva immaginare di avere una nuvola elettronica al di sopra e una al di sotto dell'anello del benzene. Questo rende particolarmente stabile il benzene, perché essendo gli elettroni ben distribuiti è come se la molecola avesse una stabilità maggiore. Infatti il benzene reagisce molto poco.

Come per i cicloalcani anche per i composti aromatici ci sono degli elementi che hanno strutture ad anelli condensati.

Oltre a composti fatti da carbonio e idrogeno, esistono composti aromatici che presentano nel loro anello eteroatomi, cioè atomi di diversa natura: l'azoto è un esempio, e si caratterizza per il fatto che ha un doppietto elettronico non condiviso. Questo doppietto, nel caso di una molecola aromatica può essere messo in compartecipazione (come nel caso del pirrolo), e si può formare una nuvola elettronica al di sopra e al di sotto.

Nelle molecole biologiche oltre ad avere composti del carbonio, ci sono composti aromatici che hanno atomi di azoto fondamentalmente. Questi anelli aromatici entrano a far parte di composti quali amminoacidi, e ci sono anelli particolarmente importanti come quelli della pirimidina che entrano a far parte di alcuni enzimi e degli acidi nucleici. Questo vale anche per la purina.

Gruppi funzionali della chimica organica

Si dividono in:

• Alcoli: R-OH (R = generica catena di atomi di carbonio). Desinenza: -olo (metanolo). Sono caratterizzati da un gruppo alcolico.
• Carbonilici: in cui l'atomo di carbonio è in sp² e si lega al resto della molecola e ad un atomo di ossigeno con un doppio legame. Si distinguono 2 tipi:
  • Aldeidi: Desinenza -ale
  • Chetoni: Desinenza -one
• Carbossilici: in cui l'atomo di carbonio è legato a due atomi di ossigeno, di cui uno è legato all'idrogeno. Si forma un singolo legame con l'altro atomo di ossigeno. Desinenza: -oico
• Amminici: presenta un atomo di azoto R-NH₂. Desinenza: -ammina

Alcoli

Presentano il gruppo OH. È un gruppo funzionale polare perché l'ossigeno è più elettronegativo, quindi essendo legato anche ad un atomo di idrogeno, può, se messo in soluzione, andare a formare legami con il solvente. Ha un debole carattere acido perché l'idrogeno si può staccare sotto forma di ione H⁺ (ma questo avviene raramente). Quando si hanno più gruppi alcolici in una stessa molecola si parla di polialcoli. Se il gruppo alcolico è legato ad una struttura aromatica si parla di fenoli. Hanno tendenza più acida. Se si stacca un protone H⁺ rimane sull'ossigeno carica negativa. Siccome l'ossigeno è legato all'anello aromatico, la carica negativa si potrebbe distribuire su questo anello. Quindi in realtà è più stabile.

Gruppo carbonilico

Un atomo di carbonio sp² che lega con doppio legame un atomo di ossigeno. Nel caso delle aldeidi si ha che il carbonio si lega ad un idrogeno, nel caso dei chetoni il carbonio si lega a due catene generiche. Nel caso dei chetoni bisogna indicare la posizione del gruppo funzionale perché può variare in maniera importante a differenza delle aldeidi dove si trova all'estremità.

Caratteristica importante del gruppo carbonilico è considerare la sua polarizzazione. Il gruppo carbonilico è un gruppo polare perché il carbonio è legato ad un atomo di ossigeno che è più elettronegativo. Avremo una parziale carica negativa sull'ossigeno e una parziale carica positiva sul carbonio. Questo fa sì che vengano interessati nelle reazioni elementi diversi: l'ossigeno infatti attrarrà un elemento positivo come lo ione H⁺, il carbonio attrarrà un elemento negativo come per esempio un nucleofilo.

Gruppo carbossilico

Nel caso del gruppo carbossilico, c'è un atomo di carbonio legato a due atomi di ossigeno. Con un atomo di ossigeno si formeranno due legami con l'altro atomo di ossigeno (che si lega all'idrogeno) si forma un singolo legame. Rispetto al gruppo carbonilico...