Chimica organica

Proprietà dei composti organici

Nei composti organici i legami sono in genere debolmente polari: le interazioni tra molecole sono del tipo dipolo-dipolo. I punti di fusione e di ebollizione dei composti organici sono generalmente bassi, aumentano con l'allungamento della catena carboniosa. La solubilità in acqua delle molecole organiche è determinata dalla polarità della struttura e dalla presenza di gruppi idrofili o idrofobici.

La reattività delle molecole organiche è influenzata da diversi fattori:

• Il grado di insaturazione del carbonio. I legami singoli di tipo σ sono forti e stabili. I legami doppi o tripli rendono la molecola via via più reattiva.
• La polarità dei legami. I legami covalenti puri o con bassa differenza di elettronegatività rendono i composti poco reattivi. La presenza di atomi a elevata elettronegatività cambia la stabilità dei legami, che ne risultano indeboliti.

L'affinità tra cariche opposte. Un elettrofilo tende a reagire con un nucleofilo e viceversa. Un elettrofilo è un atomo o ione che presenta una parziale o totale carica elettrica positiva che lo rende in grado di accettare doppietti elettronici. Un nucleofilo è un qualsiasi atomo o ione che presenta una parziale o totale carica negativa che lo rende in grado di attrarre cariche positive. • L'effetto induttivo. Lungo una catena carboniosa può essere di tipo attrattivo quando viene esercitato da un atomo più elettronegativo del carbonio, mentre è di tipo repulsivo se un atomo è meno elettronegativo del carbonio. Gli idrocarburi saturi: alcani e cicloalcani Gli idrocarburi sono composti binari formati solo da carbonio e idrogeno. Gli idrocarburi saturi sono costituiti da catene di atomi di carbonio uniti soltanto da legami semplici; gli idrocarburi insaturi presentano catene di atomi di carbonio contenenti legami multipli. Una serie

omologa è una serie di composti in cui ciascun termine differisce dal precedente di una unità costante (CH2).

La formula generale della serie omologa degli alcani è CnH2n+2, dove n rappresenta un numero intero.

Una rappresentazione schematica degli idrocarburi si ha con le formule condensate: CH3-CH3.

Le formule condensate possono essere ulteriormente semplificate con le formule topologiche.

La formula generale dei cicloalcani corrisponde a CnH2n.

Il cicloesano ha due importanti conformazioni, a sedia e a barca.

Nella nomenclatura IUPAC, a parte i primi quattro termini, il nome degli alcani è costituito da un prefisso numerico seguito dal suffisso -ano.

Gli atomi di carbonio sono classificati in primari, secondari, terziari o quaternari.

I sostituenti saturi che presentano solo atomi di carbonio e idrogeno vengono chiamati radicali alchilici e indicati, in genere, con il simbolo R-. Il loro nome si ottiene sostituendo.

Il suffisso -ano con -ile

Alcheni e alchini

Negli alcheni la geometria del doppio legame è planare con ibridazione sp2. Negli alchini la geometria del triplo legame è lineare con ibridazione sp. Il legame doppio consta di un legame σ e di uno π, mentre quello triplo comprende un legame σ e due legami π.

La formula generale degli alcheni è C_nH_2n. La formula generale degli alchini è C_nH_2n-2.

Alcheni e corrispondenti cicloalcani sono isomeri di struttura.

La nomenclatura degli alcheni e degli alchini prevede la sostituzione del suffisso -ano del corrispondente alcano con il suffisso -ene per gli alcheni e -ino per gli alchini. I legami multipli possono essere cumulati, coniugati, o isolati. Il nome di una ramificazione in cui compare una insaturazione termina in -enil o -inil a seconda che si tratti di un doppio o di un triplo legame.

Gli idrocarburi aromatici

Il principale esponente degli idrocarburi

aromatici è il benzene, C6H6, che è altamente insaturo, ma non reagisce come gli altri composti insaturi: il benzene non dà normalmente reazioni di addizione elettrofila, ma si comporta come un composto saturo, dando reazioni di sostituzione. In base alla teoria della risonanza, è rappresentato come un ibrido tra due forme limite. La presenza di elettroni π delocalizzati garantisce una particolare stabilità ai composti aromatici e ne spiega la scarsa reattività. La regola di Hückel stabilisce che una molecola ha carattere aromatico se possiede 4n + 2 elettroni π, dove n è un numero intero. Quando due degli atomi di idrogeno dell'anello aromatico sono sostituiti da altri atomi o gruppi atomici, si formano isomeri diversi. Per distinguerli, si ricorre alla numerazione degli atomi di carbonio o ai prefissi orto-, meta- e para-. Gruppi funzionali La particolare reattività di molecole come gli alcheni, per esempio, è dovuta.

Alla presenza del doppio legame, che costituisce un centro di reattività, definito gruppo funzionale. Un gruppo funzionale è un atomo o un gruppo di atomi capace di conferire una particolare reattività alla molecola di cui fa parte. Le molecole che contengono uno stesso gruppo funzionale costituiscono una classe di composti.

Gli alogenoderivati, o alogenuri organici, si ottengono per sostituzione di uno o più atomi di idrogeno di un idrocarburo con altrettanti atomi di un alogeno (F, Cl, Br,...). Si distinguono in alogenuri alchilici e arilici. Sono definiti primari, secondari o terziari, in base a quanti gruppi R sono presenti sul carbonio che lega l'alogeno.

Alcoli: Sostituendo uno degli atomi di idrogeno di un idrocarburo con il gruppo ossidrile -OH, si ottengono gli alcoli. Il nome si ricava da quello del corrispondente idrocarburo sostituendo l'ultima vocale con il suffisso -olo. Se su uno stesso scheletro molecolare sono inseriti due,

tre o più gruppi alcolici, il suffisso diventa -diolo, -triolo ecc. Fenoli I fenoli hanno l'ossidrile legato direttamente al carbonio dell'anello aromatico. Nella nomenclatura IUPAC vengono denominati in base alle regole dei composti aromatici, ma come radice è impiegato il termine -fenolo; il gruppo –OH, considerato come sostituente, è chiamato -idrossi. Eteri Gli eteri contengono un atomo di ossigeno che lega due gruppi alchilici o arilici. Come nomenclatura, si premettono alla parola etere i nomi, in ordine alfabetico, dei due raggruppamenti legati all'ossigeno. Negli eteri più complessi conviene identificare, in base al sistema IUPAC, il gruppo –OR, come gruppo alcossilico. Aldeidi e chetoni Il gruppo funzionale caratteristico delle aldeidi e dei chetoni è il carbonile. Nelle aldeidi lega un atomo di idrogeno e un residuo R (o Ar), mentre nei chetoni lega due residui R (o Ar). Il carbonio del gruppo carbonilico è ibridato sp2.

Il nome delle aldeidi deriva da quello dell'alcano a cui corrispondono sostituendo alla -o finale il suffisso -ale; nei chetoni, invece, il suffisso è -one. Se il gruppo -CHO è legato a un anello, si aggiunge il suffisso -carbaldeide al nome dell'anello.

Acidi carbossilici e i loro derivati

Il gruppo carbossilico caratteristico degli acidi carbossilici proviene idealmente dalla "fusione" del gruppo carbonile e del gruppo ossidrile.

I nomi IUPAC derivano da quello dell'alcano corrispondente in cui si sostituisce alla -o finale il suffisso -oico; si premette poi il termine acido. Nei nomi correnti si usano le lettere greche α, β, γ.

Gli acidi grassi, diffusi in natura, sono caratterizzati da una lunga catena carboniosa non ramificata costituita da un numero pari di atomi di carbonio.

In natura si trovano anche acidi bicarbossilici, come l'acido ossalico (HOOC-COOH), e idrossiacidi, come l'acido lattico.

(CH₃—CHOH—COOH). Gli acidi carbossilici sono più acidi dei fenoli e ancora di più degli alcoli; perché loione carbossilato, una base debole, è stabilizzato dalla risonanza. Quanto maggiore è il numero dei gruppi elettron-attrattori, come nell'acidotricloroacetico, tanto maggiore è la tendenza a liberare H+ e quindi la forza dell'acido. Il nome dell'anione carbossilato si ottiene cambiando la desinenza -ico dell'acido in -ato. Dagli acidi carbossilici si ottengono, per reazione con opportuni reagenti, altri composti chiamati derivati degli acidi.

Esteri e saponi: Quando un acido carbossilico e un alcol sono riscaldati insieme si ha la formazione di un estere e di acqua. La reazione, nota come esterificazione di Fischer, è catalizzata da acidi forti e tutti gli stadi sono reversibili:

La reazione inversa, l'esterificazione, è detta idrolisi. Gli esteri a basso peso molecolare hanno odore gradevole; a loro si

deve l'aroma della frutta e il profumo dei fiori. Il nome degli esteri, si ricava da quello del corrispondente acido eliminando il termine acido e sostituendo la desinenza -ico con -ato; segue poi il nome del gruppo R'. Esteri naturali di elevato peso molecolare sono le cere, i grassi e gli oli. Le cere sono esteri provenienti da un alcol (con un solo gruppo -OH) e un acido carbossilico, entrambi a lunga catena. I grassi e gli oli, rispettivamente solidi e liquidi a temperatura ambiente, si formano dalla reazione tra 1,2,3-propantriolo, o glicerolo, e acidi carbossilici, saturi o insaturi, a lunga catena e privi di ramificazioni, con un numero pari di atomi di carbonio, da 12 a 20. Si tratta di triesteri del glicerolo, chiamati trigliceridi. I saponi sono i sali di sodio (o di potassio) degli acidi grassi a lunga catena. Gli ioni carbossilato degli acidi grassi sono molecole anfipatiche, poiché presentano una coda apolare con comportamento idrofobico e una testa ionica.

idrofila. Quando si dissocia un sapone in acqua, gli ioni carbossilato non si disperdono in soluzione ma si aggregano in micelle. Le ammine derivano dall'ammoniaca, NH3, per sostituzione dei suoi atomi di idrogeno con uno, due o tre gruppi R (o Ar). La loro geometria di struttura è di tipo piramidale; gli orbitali dell'azoto sono ibridati sp3 ed è presente un doppietto elettronico non condiviso. Il gruppo caratteristico delle ammine si chiama gruppo amminico. Nelle ammine alifatiche secondarie e terziarie, si antepone la lettera N al nome del gruppo o dei gruppi alchilici legati all'azoto. Le ammine aromatiche sono considerate derivati dell'anilina e spesso indicate con nomi comuni. Le ammine primarie e secondarie possono agire da nucleofili e, attraverso reazioni di sostituzione nucleofila ac