Chimica organica

L’ISOMERIA

Sono detti isomeri quei composti con la stessa forma molecolare, ma differente formula di struttura

e diverse proprietà fisiche e chimiche.

Esistono due tipologie differenti di isomeria:

Si definisce isomeria di struttura quel fenomeno per cui gli atomi di due o più composti con

la stessa formula molecolare sono legati tra loro in sequenze differenti.

L’isomeria di struttura si distingue in isomeria di catena, isomeria di posizione e isomeria di gruppo

funzionale:

Gli isomeri di catena sono composti che differiscono per il modo diverso con cui gli atomi di

carbonio sono legati nella catena carboniosa (ad esempio, il butano si

presenta in due forme di isomeri ovvero il normal-butano con catena Il legame multiplo è un doppio

lineare e l’isobutano con catena ramificata). legame (coinvolge un numero

→ Gli isomeri di posizione sono composti che hanno la stessa doppio di elettroni rispetto ad un

catena carboniosa ma che differiscono per la posizione di legami legame semplice) oppure un

multipli, atomi o gruppi atomici (esempi, rispettivamente, sono il triplo legame tra due atomi.

butene, il cloropropano e il propanolo).

→ Gli isomeri di gruppo funzionale sono composti che presentano

gruppi funzionali diversi nella catena carboniosa (ad esempio,

l’etanolo e il dimetil etere hanno la stessa formula molecolare,

C H O

ovvero , ma due gruppi funzionali diversi, l’alcol -OH e il

2 6

gruppo funzionale -O-).

Si definisce stereoisomeria quel fenomeno per cui atomi o gruppi atomici di due o più

composti sono legati tra loro nella stessa sequenza ma con differente disposizione

spaziale.

La stereoisomeria si distingue in isomeria di conformazione e isomeria di

configurazione: La conformazione è la

Gli isomeri conformazionali (o conformi) sono i composti che differiscono particolare disposizione spaziale

per l’orientazione nello spazio di atomi o gruppi atomici che si possono degli atomi in una molecola.

interconvertire per rotazione intorno a un legame semplice carbonio-

carbonio. Due conformazioni possibili sono la conformazione sfalsata o la

conformazione eclissata.

Gli isomeri configurazionali sono composti che differiscono per Un enantiomero è uno dei due

l’orientazione nello spazio di atomi o gruppi atomici ma che non si possono composti che è l’immagine

interconvertire per rotazione attorno ad un legame. Si distingue in isomeria speculare, ma non

geometrica e isomeria ottica (enantiomeria). sovrapponibile dell’altro.

Per isomeri geometrici si intendono due 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 da un

doppio legame (alcheni). Se la molecola presenta atomi o gruppi

atomici disposti nello spazio dalla stessa parte rispetto al piano dell’anello carbonioso, si

chiama cis; disposti invece nella parte opposta, si chiama trans.

Per isomeri ottici si intendono due molecole con diversa disposizione spaziale che sono

l’uno l’immagine speculare dell’altra ma non sono sovrapponibili. Una molecola è chirale

quando non è sovrapponibile alla sua immagine speculare e possiede uno stereocentro

(atomo di carbonio legato a quattro atomi o gruppi atomici diversi) presentandosi dunque

sotto forma di due enantiomeri. Affinché una molecola sia chirale, questa non deve

possedere un piano di simmetria (un piano che divide la molecola in due metà che sono tra

loro speculari). I due enantiomeri della molecola chirale presentano proprietà achirali, fisiche

e chimiche identiche ma proprietà chirali diverse.

LE CARATTERISTICHE DEI COMPOSTI ORGANICI

→ Lo stato fisico di un composto dipende dalla forza e dal numero dei legami che si possono

stabilire tra le molecole dello stesso: legami intermolecolari deboli determinano uno stato

aeriforme, all’accrescere del numero e della forza di tali legami, il composto può essere sotto

forma liquida o solida.

I punti di fusione e di ebollizione dei composti organici sono generalmente Il legame a idrogeno è un

bassi, in quanto tra le molecole apolari o debolmente polari si formano, legame elettrostatico che si

come si è detto, legami intermolecolari deboli. stabilisce tra molecole in cui è

→ La massa molecolare è direttamente proporzionale al numero di presente l’atomo di idrogeno

legato a un atomo molto

legami necessari da addurre: al crescere di massa e numero di legami, elettronegativo (F, O, N).

si avranno valori crescenti della temperatura di fusione ed ebollizione.

La solubilità in acqua dei composti organici dipende dalla presenza nelle Un legame si dice polarizzato se

molecole di gruppi idrofili (i gruppi atomici -OH, -NH, -COOH, capaci di tra gli atomi in gioco vi è

formare legami a idrogeno con l’acqua e sono dunque solventi polari) o un’elevata differenza di

CH elettronegatività (l'attrazione che

2) ,−CH ,−C H

−(¿¿

gruppi idrofobici (i gruppi atomici , che non un nucleo atomico esercita sugli

n 3 6 5 elettroni di legame).

,

−CH ¿

3

possono formare legami ad idrogeno con l’acqua e sono dunque solventi

apolari): vi sono composti organici che presentano una testa polare idrofila e una coda apolare

idrofobica, ovvero i fosfolipidi e il surfactante.

REATTIVITÀ DEI COMPOSTI ORGANICI

Le molecole organiche sono principalmente legami semplici carbonio-carbonio (non polarizzato)

o legami carbonio-idrogeno (pochissimo polarizzato) e, per tanto, sono poco reattive.

La reattività e il tipo di reazione di un composto organico sono determinati dalla presenza

dei gruppi funzionali nella sua molecola (legami multipli, un atomo molto elettronegativo quali

ossigeno oppure alogeni, un gruppo atomico).

Dunque i composti con lo stesso gruppo funzionale, avendo proprietà e comportamento chimico

simile, vengono riuniti nella stessa

classe.

In un composto organico, la differenza di La polarizzazione è la

elettronegatività porta ad una separazione di cariche elettriche in

polarizzazione del legame e ciò comporta punti opposti di una molecola.

uno spostamento di elettroni anche su tutti

i legami carbonio-carbonio: la

trasmissione della polarizzazione lungo

una catena carboniosa si chiama

effetto induttivo.

La polarizzazione tende a diminuire con

la distanza fino ad annullarsi; l’effetto

induttivo può essere di tipo attrattivo o

repulsivo:

→ Sono sostituenti elettron-

attrattori gli atomi più

elettronegativi dell’atomo di carbonio (alogeni) e i gruppi atomici con carica positiva

3

(gruppo nitro) o quelli in cui il carbonio non è ibridato e che presentano legami

sp

multipli. Ad esempio, nell’1-cloropropano, un Cl è legato a un C e il primo attira a sé gli

−¿

elettroni di legame; assumendo il Cl una parziale carica negativa ( e il C una

¿

δ

+¿

parziale carica positiva ( ), il legame risulta polarizzato e, a causa del difetto di

¿

δ

elettroni che si è determinato su C, vi è uno spostamento di elettroni dagli atomi adiacenti,

indebolendo il legame C-Cl e, di conseguenza, aumentando la reattività della molecola.

L’effetto induttivo è di tipo attrattivo.

→ Sono sostituenti elettron-donatori gli atomi meno elettronegativi del carbonio (atomi

3

di litio e magnesio) o gruppi atomici in cui il carbonio ibridato è legato ad

sp

atomi di idrogeno (gruppi alchilici). Ad esempio, il propanone è un composto in cui il

H

gruppo atomico carbonile è legato a due gruppi metile -C ; l’O, più elettronegativo di

3

C, attira verso di sé gli elettroni di legame, di conseguenza C assume una parziale carica

+¿ −¿

positiva ( ) e O una parziale carica negativa ( , il legame risulta polarizzato ma,

¿ ¿

δ δ

H

poiché i due gruppi metile -C determinano uno spostamento di elettroni verso

3

l’atomo di carbonio del gruppo carbonile, tenderà a neutralizzare la parziale carica

positiva sull’atomo di carbonio, diminuendo la reattività della molecola. L’effetto induttivo è

di tipo repulsivo.

La rottura di un legame covalente si può verificare attraverso due modalità:

→ Nella rottura omolitica o radicalica di un legame covalente, ciascun atomo trattiene uno

dei due elettroni precedentemente condivisi così da formare radicali liberi fortemente

instabili, tant’è che tenderanno a reagire con altri radicali o con molecole per ricostruire i

legami covalenti (elettrone spaiato).

→ Nella rottura eterolitica o polare di un legame covalente, l’atomo più elettronegativo

trattiene il doppietto elettronico di un legame prima condiviso.

Tra gli intermedi delle reazioni eterolitiche, particolare importanza Il doppietto elettronico è la coppia

hanno i carbanioni (un anione, nonché base forte molto reattiva, la di elettroni che occupano lo stesso

cui carica negativa è localizzata su un atomo di carbonio legato ad orbitale, ma presentano spin

−¿ opposti.

un gruppo alchilico ) e i carbocationi (un catione la

¿

CH ≡C

−C

3 La regola dell’ottetto enuncia che

cui carica positiva è localizzata su un atomo di carbonio legato ad un quando un atomo possiede il livello

H

+¿ C −CH elettronico esterno completo, in

gruppo alchilico e si distinguono in primari, secondari

2 3

❑ ¿ genere costituito da otto elettroni,

e terziari a seconda che l’atomo di C positivo sia legato a uno, due o esso è in una condizione di

tre gruppi alchilici, di conseguenza, il carbocatione terziario sarà più particolare stabilità energetica, e

stabile degli altri). tende a non formare ulteriori

legami.

Le reazioni eterolitiche coinvolgono sempre specie chimiche

povere di elettroni (elettrofili: specie chimiche con una

parziale o totale carica positiva oppure con l’ottetto

incompleto) o specie chimiche ricche di elettroni (nucleofili: specie chimiche con una

parziale o totale carica negativa oppure con un doppietto elettronico disponibile).

GLI IDROCARBURI

Gli idrocarburi sono composti organici costituiti esclusivamente da atomi di carbonio e

Gli idrocarburi aromatici

idrogeno e si suddividono con la seguente modalità: sono a catena chiusa

formati da uno o più anelli:

uniti da legami covalenti

semplici o da un legame nel

quale gli elettroni formano

un’unica nube elettronica.

GLI ALCANI

Gli alcani (o paraffine) sono idrocarburi alifatici a catena aperta, saturi per la