Chimica organica

Chimica organica (definizioni)

La chimica organica è definita come la chimica del carbonio. Una molecola può ammettere più strutture di Lewis (strutture di risonanza) interconvertibili mediante lo spostamento di elettroni e la reale rappresentazione della molecola è una media tra tutte queste strutture.

Orbitali atomici e molecolari

Gli orbitali atomici sono le aree in cui vi è più probabilità di trovare un elettrone. Il carbonio può avere, ad esempio, tre tipi di orbitali:

• Sp³ tetraedrici
• Sp² trigonali
• Sp lineari

Un orbitale molecolare si forma quando due orbitali atomici si sovrappongono; se questi hanno lo stesso segno si forma un MO legante (bassa energia), se questi hanno segno diverso si forma MO antilegante (alta energia).

Isomeri e conformazione

Gli isomeri sono composti diversi con la stessa formula molecolare e si suddividono in due classi:

• Isomeri strutturali (costituzionali): stessa formula ma diverso concatenamento
• Stereoisomeri: stessa formula, stesso concatenamento, diversa disposizione tridimensionale

Data una particolare struttura si possono avere diversi conformeri (isomeri conformazionali); inoltre, non essendo rigida, la struttura di una molecola può ruotare da una configurazione all’altra.

Struttura delle molecole organiche

Le molecole organiche sono costituite da due parti: uno scheletro strutturale e alcuni gruppi funzionali. Lo scheletro è costituito prevalentemente da atomi di carbonio legati principalmente a idrogeno ed in alcuni casi ai gruppi funzionali.

Gruppi funzionali

Nomenclatura

La catena di base del composto è quella con più atomi di carbonio. Il nome è diviso in tre parti:

• Prefisso: riferito ai sostituenti della catena principale
• Radice: catena di atomi di carbonio più lunga
• Suffisso: famiglia d’appartenenza del composto

Alcani (C_nH_2n+2)

Alcani lineari: atomi di carbonio legati tra di loro in linea. In particolare, una catena è costituita da due atomi di carbonio primari (legati a solamente un altro atomo di carbonio) detti terminali e da atomi di carbonio secondari (legati a due atomi di carbonio).

Alcani ramificati: alcani che hanno gruppi funzionali legati alla catena principale. Si dividono in due categorie: abbiamo gli ISOalcani se il carbonio con la ramificazione è terminale, cioè legato a solo due atomi di carbonio, oppure i NEOalcani se il carbonio con la ramificazione è legato a tre atomi di carbonio.

Ciclici: hanno una struttura della catena principale ciclica con un numero di atomi di carbonio che dà il nome all’alcano.

Nomenclatura degli alcani

• Regola 1: Identificare la catena più lunga (quella con più carboni). Darle un nome come se fosse un semplice alcano.
• Regola 2: Dare un nome a tutti i gruppi funzionali legati alla catena principale (a catena lineare si ricava il nome dall’alchile, a catena ramificata si fa tutto il processo di nomenclatura).
• Regola 3: Si numerano gli atomi di carbonio della catena principale, partendo dal lato in cui abbiamo un sostituente più vicino. Se due sostituenti sono a uguale distanza, si va in ordine alfabetico, dando il numero più basso a quello che inizia con la lettera che viene prima nell’alfabeto.
• Regola 4: Scrivere il nome della molecola disponendo in ordine prima di numero e poi alfabetico i vari sostituenti. Poi aggiungere il nome della catena principale (se uno stesso sostituente è presente più volte il suo nome va preceduto da di, tri, tetra, penta). La posizione di ogni sostituente si indica prima del nome e ogni numero è separato da una virgola.

Proiezioni di Newman

Si tratta di un ulteriore modo per rappresentare una molecola, andandone a disegnare i suoi rotameri i quali sono isomeri conformazionali che si interconvertono l’uno nell’altro con delle rotazioni intorno al legame σ. I rotameri possono essere sfalsati o eclissati (in particolare la conformazione eclissata è un intermedio tra due posizioni sfalsate).

• Rotazione intorno a σ nell'etano
• Rotazione intorno a σ nel propano
• Rotazione intorno a σ nel butano

Proprietà fisiche

I punti di fusione, di ebollizione e le densità aumentano col peso molecolare. A temperatura e pressione ambiente gli alcani a basso peso molecolare sono in fase gas o liquidi incolori, quelli invece con un alto peso molecolare sono allo stato solido.

Scissione omolitica ed eterolitica

Scissione omolitica: ciascun atomo prende su di sé un elettrone di legame che prima costituiva il legame covalente. Vengono prodotti radicali.

Scissione eterolitica: un atomo prende su di sé tutti gli elettroni di legame coinvolti nel legame covalente. Si forma un carbocatione e un carboanione.

Dissociazione legame C – H: la forza di questo legame diminuisce passando da metano a carbonio terziario. Dissociazione legame C – C: andamento simile a quello del legame C – H. Attraverso queste dissociazioni sono più facili da ottenere i radicali terziari (per iperconiugazione si formano radicali molto stabilizzati) piuttosto che i radicali metile (si formano radicali poco stabilizzati).

Reazioni alcani

Pirolisi

Avviene a temperature elevate ed in assenza di O₂, si tratta di un processo in due fasi:

• Scissioni in radicali dove la catena dell’alcano viene rotta attraverso un processo di scissione radicali andando a formare due radicali liberi.
• Ricombinazione di radicali dove radicali liberi che si sono formati in seguito alla prima fase reagiscono tra loro per tornare ad una forma stabile.
• Asportazione di H dove una specie radicalica per ritrovare stabilità va a strappare una molecola di H ad un altro radicale, rendendo così stabile anche l’altro radicale.

Combustione degli alcani

Si tratta di un processo che avviene solo in presenza di O₂. I calori di combustione degli alcani aumentano col peso molecolare. Inoltre, i calori di combustione degli alcani isomeri di solito non sono uguali.

Alogenazione

L’alogenazione di un alcano produce un alogenoalcano ed un acido alogenidrico HX. Si tratta di un processo suddiviso in tre fasi principali. Esempio di alogenazione è la clorurazione del metano, si tratta di una sostituzione dell’H dell’alcano con una molecola di Cl. La reazione avviene solo a particolari condizioni o a T = 300°C o sotto raggi UV.

• Inizio: Avviene una rottura omolitica del legame Cl – Cl.
• Propagazione:
  • Step 1: avviene l’estrazione di un atomo di H da parte del Cl e si forma così un radical metile. Questo step è anche quello responsabile della velocità della reazione (step lento) e della sintesi dei prodotti.
  • Step 2: avviene l’estrazione di un atomo di Cl da parte del radicale meno stabile, si tratta dello step più rapido.
• Terminazione: Fase nella quale avviene l’aggancio chimico tra i radicali, è quindi la fase di spegnimento della reazione dove si ricombinano i radicali liberi.

Altri esempi di alogenazione degli alcani sono: fluorurazione (stato precoce e processo esotermico), iodurazione (stato tardivo e processo endotermico) e bromurazione. Il fluoro è l’alogeno più reattivo come radicale che può asportare H (spezza qualunque CH senza differenze), cloro e bromo invece sono meno reattivi (spezzano solo determinati CH).

Cicloalcani (C_nH_2n)

Si tratta di idrocarburi saturi ciclici.

Nomenclatura

• Per i cicloalcani non sostituiti si prende il nome dell’alcano di riferimento e si mette davanti il termine ciclo.
• Per i cicloalcani monosostituiti il carbonio legato al sostituente prende il numero 1, in seguito si mette davanti al nome del cicloalcano il nome del gruppo sostituente.
• Per i cicloalcani con più sostituenti legati allo stesso carbonio si utilizza l’ordine alfabetico mettendo il numero davanti a ogni gruppo sostituente e alla fine il nome del cicloalcano.
• Per i cicloalcani polisostituiti su diversi carboni si indica la sequenza di numeri con le cifre più basse possibili e poi si nomina come per i cicloalcani con più sostituenti. (Se sono possibili due sequenze uguali si guarda l’ordine alfabetico).
• Per i cicloalcani che hanno come sostituenti altri anelli, l’anello più piccolo funge da gruppo sostituente e prende la desinenza in quanto tale.

Nel dare il nome ai cicloalcani è importante anche osservare la posizione dei gruppi sostituenti in quanto se due gruppi sostituenti si trovano sullo stesso piano prenderanno il nome CIS, se invece si trovano su piani opposti prendono il nome TRANS.

Geometria

• Planare: angoli di legame di 120° e 12 atomi di H eclissati.
• Sedia: angoli di legame circa quelli di un tetraedro e non ci sono atomi di H eclissati (struttura più stabile).

Nel cicloesano, ad esempio, possiamo anche osservare l’interconversione da una sedia all’altra:

• Cicloesano (le posizioni assiali diventano equatoriali e viceversa)
• Cicloesano monosostituito
• Cicloesano disostituito (la struttura più stabile è quella con il sostituente più grande in posizione equatoriale)
• Cicloesano disostituito CIS
• Cicloesano disostituito TRANS