Chimica organica

CHIMICA ORGANICA

1

CHIMICA ORGANICA 3

ALCANI 5

ALCHENI E ALCHINI 8

IL BENZENE E I COMPOSTI AROMATICI 10

CHIRALITÀ: MOLECOLE COME LE MANI 13

ALOGENURI ALCHILICI 15

ALCOLI, FENOLI, ETERI E TIOLI 17

LE AMMINE 20

ALDEIDI E CHETONI 22

ACIDI CARBOSSILICI 24

ALOGENURI ACILICI, ANIDRIDI DEGLI ACIDI CARBOSSILICI, ESTERI E AMMIDI 26

CARBOIDRATI 29

LIPIDI 32

LE PROTEINE 35

ENZIMI 39

SEGNALI CHIMICI: NEUROTRASMETTITORI E ORMONI 41

I NUCLEOTIDI, GLI ACIDI NUCLEICI E L’EREDITARIETÀ 44

2

CHIMICA ORGANICA

1.1 CHE COS’È LA CHIMICA ORGANICA?

chimica organica composti organici:

La è lo studio dei composti organici. I

- Sono i principali costituenti di tutti gli esseri viventi;

- In soluzioni acquose non conducono elettricità;

- Quasi tutti bruciano e si decompongono;

- Contengono carbonio;

- Sono insolubili in acqua ma solubili in altri composti organici;

- I legami sono quasi tutti covalenti;

- Le loro reazioni sono lente;

- Molti sono gassosi, liquidi e solidi cono punti di fusione bassi;

- Sono 85% di tutti i composti noti;

- Sono composti essenziali per l’organizzazione strutturale e funzionale di ogni

cellula vivente.

1.2 COME OTTENIAMO I COMPOSTI ORGANICI?

I composti organici si possono ottenere in due modi:

- Isolamento da fonti naturali: le specie animali e vegetali producono migliaia di

composti organici attraverso un processo chiamato biosintesi. Una via per

ottenenti è quindi, estrarli, isolarli e puri carli da fonti organiche.

- Sintesi in laboratorio: esistono più vie per sintetizzare gli stessi composti

presenti in natura o per produrre i loro derivati. Chimici organici hanno anche

disegnato e sintetizzato composti che non trovavano riscontro in natura.

I composti prodotti in laboratorio sono identici a quelli presenti in natura, in termini di

proprietà chimiche e siche.

1.3 COME SCRIVIAMO LE FORMULE DI STRUTTURA DEI COMPOSTI ORGANICI?

formula di struttura

La mostra tutti gli atomi e i legami presenti di una molecola. Il

modello di Lewis mostre come l’atto di carbonio forma quattro legami covalenti, che

teoria VSEPR

possono essere combinazioni di legami singoli, doppi e tripli. La mostra gli

angoli di legame più comuni per le varie geometrie (tetraedrica—> 109,5°, triangolari

planari ->180° e lineari —>120°).

carbonio

Il forma quattro legami covalenti (zero coppie di elettroni non condivise), l’azoto

forma tre legami covalenti (una coppia di elettroni non condivisa), l’ossigeno forma due

legami covalenti (due coppie di elettroni non condivise), l’idrogeno forma un legame

alogeni

covalente (zero coppie di elettroni non condivise) e gli ( uoro, cloro, bromo e

iodio) formano un legame covalente (tre coppie di elettroni non condivise).

1.4 COS’È LA TEORIA DELLA FORMAZIONI DI LEGAMI COVALENTI PER

SOVRAPPOSIZIONE DI ORBITALI ATOMICI E COSA SONO GLI ORBITALI IBRIDI?

3

fi fi fl

sovrapposizione degli orbitali

La teoria della dice che un legame covalenti si forma

quando una porzione di orbitale atomico di un atomo si sovrappone ad una porzione di

orbitale atomico di un altro atomo. Se questo avviene lungo l’asse che unisce i due nuclei

si forma un legame sigma ( ).

Per formare nuovi orbitali, gli orbitali atomici si combinano e i nuovi orbitali che si formano

prendono il nome di orbitali ibridi e possono essere:

- Sp : si trovano sempre in gruppi di quattro. Si formano per la combinazione di

3

un orbitale 2s e di tre orbitali 2p. Presentano un lobo più grande che punta in

una direzione e un lobo più piccolo che punta nella direzione opposta. Gli assi

dei quattro orbitali sono diretti verso i vertici di un tetraedro regolare e gli angoli

di legame sono di 109,5°.

- Sp : si trovano sempre in gruppi di tre. Si formano per la combinazione di un

2

orbitale 2s e di 3 orbitali 2p. Sono formati da due lobi, uno più grande e uno più

piccolo. Giacciono in un piano e sono diretti verso i vertici di un triangolo

equilatero e gli angoli di legame sono di 120°. Il terzo orbitale 2p non è coinvolto

nell’ibridazione e consiste di due lobi perpendicolari al piano degli orbitali ibridi.

doppi legami

Gli elementi del secondo perdio usano questi orbitali per formare

+ legame pigreco

( ). Il è un legame covalente formato per sovrapposizione di

orbitali p paralleli.

- Sp: si trovano sempre in coppia. Si formano per la combinazione di un orbitale

2s e di un orbitale 2p. I due orbitali 2s sono orientati in modo da formare un

angolo di 180°. Gli assi degli orbitali atomici 2p non ibridati sono perpendicolari

tripli legami

l’uno all’altro e rispetto agli assi degli orbitali ibridi Sp. Formano

+σ).

(2

1.5 COS’È UN GRUPPO FUNZIONALE?

gruppi funzionali

I sono siti che hanno un comportamento chimico prevedibile, lo stesso

gruppo funzionale presenta lo stesso tipo di reazioni chimiche, indipendentemente dal

composto in cui si trova. Determinano in gran parte le proprietà siche di un composto.

Sono le unità che consentono di classi care i composti organici in famiglie e servono

come base per la loro nomenclatura.

alcoli -OH

Gli presentano il gruppo funzionale (ossidrile) e sono classi cati in primari,

secondari o terziari in base al numero di atomi di carbonio legati al carbonio che presenta

il gruppo -OH.

ammine amminico

Le presentano il gruppo funzionale (un atomo di azoto legato ad

1/2/3 atomi di carbonio). Si dividono in primarie, secondarie e terziarie in base al numero

di atomi di carbonio legati all’atomo di azoto.

aldeidi chetoni carbonilico,

Gli e i presentano un gruppo gli aldeidi legato ad un atomo

di idrogeno mentre i chetoni legato a due atomi di carbonio.

acidi carbossilici

Gli presentano come gruppo funzionale il gruppo carbossile -COOH.

esteri carbossilici,

Gli comunemente noti come esteri, derivano dall’acido carbossilico

nel quale l’idrogeno viene sostituito da un gruppo -R. Il loro gruppo funzionale è -COOR.

4

fi fi fi

ALCANI

2.1 COME SCRIVIAMO LE FORMULE DI STRUTTURA DEGLI ALCANI?

alcani idrocarburi

Gli sono idrocarburi saturi alifatici. Gli sono composti costituiti

saturi

esclusivamente da atomi di carbonio e idrogeno. Sono de niti perché contengono

solo legami singoli carbono-carbonio e quindi ogni atomo lega il massimo numero di

alifatici

atomi possibili. Inoltre sono de niti per le proprietà siche dei membri superiori di

questa classe che ricordano quelle delle molecole a lunga catena carboniosa che si

trovano nei grassi animali e negli oli vegetali.

idrocarburo insaturo

Un è caratterizzato dalla presenza di uno o più doppi o tripli legami

carbonio-carbonio oppure di un anello benzenico.

I quattro legami intorno ad ogni atomo di carbonio hanno una disposizione tetraedrica

con tutti gli angoli di legame di circa 109,5°.

C H

La loro formula generale è .

n 2n+2

2.2 COSA SONO GLI ISOMERI COSTITUZIONALI?

isomeri costituzionali

Gli sono composti che hanno la stessa formula molecolare ma

diversa formula di struttura, di eriscono per il tipo di legami e/o per il modo in cui i loro

atomi sono legati tra loro e hanno proprietà chimico- siche di erenti.

2.3 COME POSSIAMO ASSEGNARE IL NOME AGLI ALCANI?

Nomenclatura IUPAC:

- Il nome di un alcano a catena non rami cata consiste in un pre sso che indica il

numero di atomi di carbonio presenti nella catena seguito dalla desinenza -ano;

- Per gli alcani a catena rami cata si identi ca come catena principale la catena

più lunga di atomi di carbonio presente nella molecola e si utilizza il suo nome

come radice del nome dell’alcano da cui deriva;

- I gruppi usati alla catena principale sono considerati sostituenti. A ciascuno

sostituente si assegna un nome e un numero. I numero indica l’atomo di

carbonio della catena principale al quale è legato il sostituente. Si utilizza un

trattino per collegare il numero al nome;

- Se è presente un solo sostituente si numera la catena principale in modo da

assegnare a questo gruppo il minor numero;

- Se sono presenti due o più gruppi identici, si numera la catena principale a

partire dall’estremità che consente di attribuire il numero minore al sostituente

che incontra per primo. Per indicare il numero di gruppi identici si usano i

predissi di-, tri-, tetra- ecc..

- Se sono presenti più sostituenti diversi si elencano in ordine alfabetico e si

numera la catena a partire dall’estremità che consente di dare il numero più

basso al sostituente che si incontra per primo. Se si trovano in posizione

equivalenti alle estremità opposte si attribuisce il numero più basso al

sostituente che viene per primo in ordine alfabetico.

- I pre ssi di-, tri-, tetra- ecc.. e i pre ssi abbreviati sec- e terz- non vengono

considerati per stabilire l’ordine alfabetico.

5

fi fi fi

ff fi fi fi fi fi fi ff fi

gruppo alchilico

Il (-R) deriva da un alcano per rimozione di un atomo di idrogeno e

prende il nome dall’alcano da cui derivano cambiando in -ile la desinenza -ano.

primario, secondario, terziario quaternario

Gli atomi di carbonio di classi cano in e a

seconda di quanti atomi di carbonio ad esso legato.

2.4 DA DOVE OTTENIAMO GLI ALCANI?

petrolio gas naturale.

Le fonti principali degli alcani sono il e il Il gas naturale è formato

da metano, etano e altre piccole quantità di alcani a basso punto di ebollizione. Il petrolio

è un liquido viscoso, costituito da una miscela di migliaia di composti, principalmente

idrocarburi, generati dalla decomposizione di antiche specie marine sia animali che

vegetali. Il processo di separazione fondamentale della ra nazione del petrolio è la

distillazione frazionata: tutto il petrolio grezzo che entra in una ra neria va alle unità di

distillazione dove viene riscaldato a temperature di 370°-425° e separato in frazioni. Ogni

frazione contiene una miscela di idrocarburi che bollono in un determinato intervallo di

temperature.

2.5 COSA SONO I CICLO ALCANI?

idrocarburo ciclico

Un contiene degli atomi di carboni uniti a formare un annetto. Se tutti

saturi cicloalcano.

gli atomi di carbonio che costituiscono l’anello sono viene de nito La

C H

sua formula generale è , contiene due atomi di idrogeno in meno rispetto all’alcano

n 2n

con lo stesso numero di atomi di carbonio.

Per assegnare il nome ad un cicloalcano si pone davanti al nome del corrispondente

alcano a catena aperta il pre sso ciclo- e si indica il nome di ogni sostituente.

2.6 CHE FORMA HANNO GLI ALCANI E I CICLOALCANI?

Per ogni alcano esiste un numero in nito di possibili conformazioni in un qualsiasi

stabile,

campione. Il maggior numero di molecole si troverà nella conformazione più con

minor a ollamento sterico mentre solo un numero minimo di molecole sarà nella

conformazione più a ollata, meno stabile.

Le conformazioni non planari o ripiegate sono le favorite in tutti i cicloalcani con più di tre

conformazione a

atomi di carbonio. La conformazione più stabile del ciclopentano è la

busta: quattro atomi di carbonio si trovano in un piano mentre il quinto è disposto al di

fuori del piano e tutti gli angoli di legame sono di circa 109,5°. La conformazione più

conformazione a sedia:

stabile del cicloesano è la i dodici legami C-H sono disposti

secondo due diverse orientazioni: sei sono detti legami assiali mentre gli altri sei sono

detti legami equatoriali. Tutti gli angoli di legame sono di circa 109,5°.

2.7 COS’È L’ISOMERIA CIS-TRANS NEI CICLO ALCANI?

I cicloalcani che presentano dei sostituenti su almeno due atomi dell’anello presentano un

isomeria cis-trans, stereoisomeria.

tipo di isomeria detto un tipo di Gli isomeri cis-trans

dei ciclo alcani hanno la stessa formula molecolare e gli stessi legami tra gli atomi ma

di eriscono per il modo in cui i loro atomi sono disposti nello spazio: cis- indica che i

sostituenti sono dalla stessa parte del piano dell’anello mentre trans- indica che sono da

parti opposte rispetto al piano dell’anello.

stereocentro

Lo è un atomo, di solito di carbonio; con ibridazione sp3 ed è caratterizzato

dal fatto che lo scambio di due gruppi da origine a due stereoisomeri.

6

ff ff ff fi fi fi ffi ffi fi

2.8 QUALI SONO LE PROPRIETÀ FISICHE DEGLI ALCANI?

La di erenza di elettronegatività tra carbonio ed idrogeno è molto piccola, per questo il

C-H covalente puro

legame viene classi cato come o non polare. Gli alcani sono quindi

apolari forze di

composti le cui uniche interazioni tra molecole sono le deboli

dispersione di London.

Gli alcani: con 1-4 atomi di carbonio sono gassosi a temperatura ambiente, con 5-17

atomi di carbonio sono liquidi incolori a temperatura ambiente mentre quelli con più di 18

atomi di carbonio sono solidi bianchi e cerosi a temperatura ambiente.

punti di fusione e di ebollizione

I degli alcani aumentano con l’aumentare del peso

molecolare e diminuiscono all’aumentare della rami cazione della catena, più la catena è

rami cata più diventa compatta e questo provoca una minor attrazione tra le molecole.

solubili

Gli alcani non sono in acqua perché non possono formare legami idrogeno con

essa, però sono solubili gli uni negli altri.

densi

Sono meno dell’acqua e possono galleggiare sulla sua super cie.

2.9 QUALI SONO LE REAZIONI CARATTERISTICHE DEGLI ALCANI?

Gli alcani hanno una bassissima reattività e sono del tutto inerti verso la maggior parte dei

reagenti.

combustione

La è la reazione con l’ossigeno. Costituisce la base per il loro utilizzo come

fonti di energia per il riscaldamento e comò alimentazione di vari motori:

C H + (3n+1)/2 O2 —> nCO2 + (n+1) H2O

n 2n+2

L’alogenazione è la reazione con gli alogeni ed è una reazione di sostituzione (un atomo

di idrogeno dell’alcano viene sostituito con un atomo di alogeno)

R-H +X-X —> R-X + H-X 7

fi ff fi fi fi

ALCHENI E ALCHINI

3.1 COSA SONO GLI ALCHENI E GLI ALCHINI?

alchini insaturi tripli legami

Gli sono idrocarburi che contengono uno o più carbonio-

carbonio. Non sono molto di usi in natura e non hanno una grande rilevanza biochimica.

alcheni insaturi doppi legami

Gli sonno idrocarburi contenti carbonio-carbonio. Sono

molto di usi in natura e hanno un’enorme rilevanza economica.

cracking termico

Il è un processo in cui un idrocarburo saturo è convertito in un

idrocarburo insaturo con rilascio di H .

2

3.2 QUAL È LA STRUTTURA DEGLI ALCHENI E DEGLI ALCHINI?

alcheni 120°

Gli hanno angoli di legame di gradi intorno ad ognuno dei due atomi di

carbonio uniti dal doppio legame. I due atomi di carbonio impiegati nel doppio legame e i

medesimo piano.

quattro atomi di idrogeno ad essi legati giacciono tutti nel Un doppio

legame σ legame π. rotazione

legame consiste in un e un La intorno al doppio legame è

impedita.

strettamente Un alchene nel quale ognuno dei due atomi di carbonio lega due

cis-trans.

di erenti atomi o gruppi atomici presenta l’isomeria

alchini triplo legame

Il gruppo funzionale degli è un carbonio-carbonio, gli angoli di

180°. un legame σ

legame intorno al triplo legame sono di Il triplo legame consiste in e

due legami π.

3.3 COME POSSIAMO ASSEGNARE IL NOME AGLI ALCHENI E AGLI ALCHINI?

nomenclatura IUPAC

Per la degli alcheni e degli alchini si usano gli stessi principi della

-ene -ino.

nomenclatura degli alcani e si sostituisce la desinenza -ano con e Si numera la

catena in modo che il numero più basso venga assegnato al carbonio con il doppio/triplo

legame.

Alcuni alcheni e alchini a basso peso molecolare sono conosciuti quasi esclusivamente

nome comune:

con il loro

- Etene/etilene, propene/propilene, 2-metilpropene/isobutilene;

- Etino/acetilene, proprino/metilacetilene, 2-butino/dimetilacetilene.

cis-trans.

Sia gli alcheni che gli alchini presentano l’isomeria

Per la nomenclatura IUPAC dei cicloalcheni si usano gli stessi principi di quella dei

cicloalcani e si numera l’anello partendo dai carboni del doppio legame.

Gli alcheni che presentano più di un doppio legame sono alcadieni, alcatrieni ecc.., se

polieni. n doppi legami

possiedono moli doppi legami sono detti Per un alchene con

2 stereoisomeri.

sono possibili n

3.4 QUALI SONO LE PROPRIETÀ FISICHE DEGLI ALCHENI E DEGLI ALCHINI?

non polari. simili alcani

Sono composti Le loro proprietà siche sono a quelle degli cono

lo stesso numero di atomi di carbonio. Galleggiano sulla super cie dell’acqua e sono

insolubili in acqua ma solubili in composti liquidi organici non polari.

8

ff ff ff fi fi

3.5 COSA SONO I TERPENI?

terpeni

I costituiscono gli oli essenziali delle piante. Presentano una catena carboniosa

unità isopreniche,

che può essere suddivisa in due o più unità identiche allo scheletro

dell’isoprene (cinque atomi di carbonio, di cui quattro in catena e uno come

rami cazione). La coda di un’unità isoprenica è legata alla testa di un’altra unità. Il

carbonio 1 è detto testa mentre il carbonio 4 è detto coda. Sono fra i composti più di usi

nel mondo biologico.

3.6 QUALI SONO LE REAZIONI CARATTERISTICHE DEGLI ALCHENI?

regola di Markovnikov

La spiega che nell’addizione di HX ad un alchene l’idrogeno si

addizione al carbonio del doppio legame che già lega il maggior numero di atomi di

idrogeno mentre l’alogeno si lega all’altro carbonio.

elettro lo

Un è qualunque molecola o ione in grado di accettare una cop