Chimica organica

Chimica Organica

Indice degli argomenti trattati

La chimica organica

• Molecole organiche e gruppi funzionali

• Nomenclatura

• Gli idrocarburi

• Isomeria

• Gli alcani

• Reazioni organiche

• Reazioni radicaliche

• Stereochimica

• Gli Alcheni

• Risonanza

• Sistemi coniugati e dieni

• Gli Alchini

• Composti aromatici

• Alogenoderivati

• Alcoli eteri ed epossidi

• Ammine

• Aldeidi e Chetoni

• Composti carbonilici e carbossilici, condensazione in alpha

• Composti carbonilici alpha, beta-insaturi

• Acidi carbossilici

• Derivati degli acidi carbossilici

• Amminoacidi

• Acidi nucleici

• Carboidrati

• Lipidi

•

CdL in Scienze Biologiche Anno Accademico 2018-2019

Scienze Biologiche

La chimica organica

Ha un ruolo fondamentale per la comprensione degli esseri viventi

• La biologia molecolare, la medicina, l’agricoltura e l’elettronica avanzata derivano dall’industria

• dei saponi e dei coloranti

La chimica organica è la chimica dei composti del carbonio

• Si prende il 1828 come anno di nascita della chimica organica, con la sintesi dell’urea in

• laboratorio

Successivamente si riuscì a sintetizzare anche l’acido acetico

• Altro passo fondamentale fu la sintesi dell’acido acetilsalicilico, derivato dalla pianta del salice

• (la sintesi deriva dal fenolo, tramite due ulteriori reazioni)

Nel ‘900 vennero sintetizzati anche la morfina e gli zuccheri

•

Lo sviluppo della chimica organica

1859

Teoria strutturale

• Gli atomi nella molecola sono tenuti insieme dai legami

• Ciascun atomo forma lo stesso numero di legami in tutti i suoi composti

•

1875

Stereochimica

• Aspetto spaziale delle molecole

• L’atomo di carbonio forma quattro legami diretti verso i vertici di un tetraedro

•

1917

Teoria elettronica del legame

• I legami sono formati da coppie di elettroni

• Si comprendono i meccanismi di reazione, con la rottura e la formazione dei legami

• La chimica organica in senso moderno si definisce come la chimica del carbonio

•

Caratteristiche dell’atomo di carbonio

Il carbonio ha una fortissima tendenza a legarsi con se stesso formando catene (min. 2 atomi) e

• cicli (min. 3 atomi) senza limite superiore

Questa tendenza è visibile sia nei composti organici sia nelle modificazioni allotropiche

• Il carbonio forma legami covalenti con quasi tutti gli elementi

• Se l’elemento è in grado di formare almeno due legami covalenti può sostituire uno o più atomi

• di carbonio all’interno di un ciclo o di una catena

Se l’elemento forma un solo legame covalente è necessariamente legato in una posizione

• terminale

Le catene ed i cicli formati da atomi di carbonio possono portare ramificazioni in tutte le

• posizioni (questo vale anche per atomi diversi dal carbonio che possano formare almeno tre

legami covalenti) La chimica organica

Scienze Biologiche

Molecole organiche e gruppi funzionali

Un gruppo funzionale è un atomo o un gruppo di atomi con proprietà chimiche e fisiche tipiche

• E’ la parte reattiva della molecola

• La maggior parte delle molecole organiche hanno legami C—C e C—H

• Molte molecole organiche hanno anche altre caratteristiche strutturali:

• Eteroatomi, si tratta di atomi diversi dal carbonio o idrogeno

• Legami π, i legami π più comuni sono presenti nei doppi legami C—C e C—O

• Queste caratteristiche strutturali distinguono una molecola organica da un’altra e

• determinano la geometria della molecola, le sue proprietà fisiche, la reattività e includono

quello che è chiamato gruppo funzionale

Gli eteroatomi e i legami π conferiscono reattività ad una particolare molecola

• Gli eteroatomi hanno coppie solitarie e creano sul carbonio siti carenti di elettroni

• I legami π si rompono facilmente nelle reazioni chimiche; un legame π fa della molecola una

• base e un nucleofilo

I legami C—C e C—H formano la spina dorsale carboniosa o lo scheletro al quale sono legati i

• gruppi funzionali

Etano

Questa molecola ha solo legami C—C e C—H, quindi non ha gruppi

• funzionali

L’etano non ha legami polari, nessuna coppia solitaria e nessun

• legame; quindi non ha siti reattivi

Per questi motivi, l’etano e molecole simili sono molto poco reattive

•

Etanolo

Questa molecola ha un gruppo OH nel suo scheletro carbonioso

• Il gruppo funzionale OH è chiamato gruppo idrossi

• L’etanolo ha coppie solitarie e legami polari che lo rendono reattivo

• con una grande varietà di reagenti

Il gruppo idrossi rende le proprietà dell’etanolo molto diverse da quelle

• dell’etano

Gli idrocarburi sono composti costituiti solamente dagli elementi carbonio e idrogeno,

possono essere alifatici o aromatici

Gruppi funzionali

Gli idrocarburi aromatici sono chiamati così perché molti dei primi composti aromatici

• conosciuti avevano un tipico odore forte

L’idrocarburo aromatico più semplice è il benzene

• L’anello a sei termini e i tre legami del benzene costituiscono un unico gruppo funzionale

• Quando un anello benzenico si lega a un altro gruppo viene chiamato gruppo fenile

• Pagina 1 di 3 Molecole e gruppi funzionali

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Gruppo carbonilico

C=O

• Il legame polare C—O rende il carbonio carbonilico un elettrofilo, mentre le coppie solitarie

• sull’ossigeno gli permettono di reagire come un nucleofilo e come una base

Il gruppo carbonilico contiene inoltre un legame π che si rompe più facilmente di un legame σ

• C—O

Influenza dei gruppi funzionali

Un gruppo funzionale determina numerose proprietà di una molecola:

Legami e forma

• Tipo ed intensità delle forze intermolecolari

• Proprietà fisiche

• Nomenclatura

• Reattività chimica

•

Influenza dei gruppi funzionali sulla reattività

I gruppi funzionali danno origine a siti reattivi nelle molecole

• Siti elettron-ricchi reagiscono con siti elettron-poveri

• Tutti i gruppi funzionali contengono un eteroatomo, un legame π o entrambi, e queste

• caratteristiche creano in una molecola siti elettron-poveri (o nucleofili) e siti elettron-ricchi (o

elettrofili); le molecole reagiscono in questi siti

Un atomo di carbonio elettron-povero reagisce con un nucleofilo, rappresentato nelle reazioni

• −

con il simbolo Nu

Un atomo di carbonio elettron-ricco reagisce con un elettrofilo, rappresentato nelle reazioni con

• +

il simbolo E

Per esempio, gli alcheni contengono un doppio legame C-C, ricco di elettroni, e perciò

• +

reagiscono con elettrofili E Pagina 2 di 3 Molecole e gruppi funzionali

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Gli alogenuri alchilici possiedono un atomo di carbonio elettrofilo,

• quindi reagiscono con centri elettron-ricchi, nucleofili

Nomenclatura

Si distinguono un nome generico ed un nome specifico

• Il nome generico identifica un’intera classe con determinate caratteristiche (alcoli, acidi, alcani..)

• Il nome specifico identifica un singolo composto all’interno di una classe (metanolo, piridina..)

•

Struttura

Composti senza gruppo funzionale

Esiste una classe di composti che contengono soltanto carbonio ed idrogeno legati in vario

• modo

Sono al 100% scheletro e privi di reattività

• Sono gli idrocarburi alcani

• Sono importanti poiché su di essi si basa la nomenclatura dei composti organici

• Pagina 3 di 3 Molecole e gruppi funzionali

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Nomenclatura

Nomenclatura IUPAC

Si tratta di un sistema all’interno del quale ogni composto porta il suo nome specifico

• Tramite precise regole è possibile assegnare ad un composto il medesimo nome, e viceversa

•

Nomenclatura degli alifatici

Identificare la classe di appartenenza (il gruppo principale)

• Identificare la catena principale di atomi di carbonio contigui, tramite le regole di priorità, la

• quale deve contenere:

Il gruppo principale

• Il massimo numero possibile di legami C=C e C≡C

• Il massimo numero possibile di atomi di carbonio

• Il massimo numero possibile di sostituenti

•

Assegnare il nome alla catena principale in base al numero di carboni da cui è formata

• Numerare la catena in modo tale che:

• Al gruppo principale spetti il numero più basso possibile

• Ai gruppi secondari spetti il numero più basso possibile (C=C precede C≡C)

•

Nel nome è necessario indicare il numero che spetta al gruppo principale (tranne che per

• COOH, CHO,CN.., i quali hanno sempre numero 1)

Includere nel nome il gruppo C=C (-ene) o C≡C (-ino)

• Aggiungere il nome dei sostituenti davanti al nome in ordine alfabetico e con la relativa

• posizione Nomenclatura

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Gli Idrocarburi

Gli idrocarburi contengono solamente carbonio ed

• idrogeno

Si distinguono idrocarburi aromatici (i derivati del

• benzene) ed alifatici

Nel caso degli alifatici si distinguono ulteriormente i

• saturi (hanno solo legami semplici) ed insaturi (hanno

doppi legami)

Fanno parte degli idrocarburi alifatici saturi gli alcani

• (lineari, ramificati e ciclici) mentre fanno parte degli

idrocarburi alifatici insaturi gli alcheni e gli alchini

Le fonti naturali di idrocarburi sono sia gassose (gas

• naturali) che solidi e liquidi (petrolio)

Petrolio

Si tratta di una miscela di composti chimici che si estrae dal sottosuolo

• Il petrolio greggio si trova in tutto il mondo e varia moltissimo da zona a zona in densità e

• contenuti

La maggioranza dei suoi componenti sono:

• Idrocarburi (alcani, cicloalcani, alcheni, aromatici e poliaromatici)

• Composti contenenti eteroatomi (zolfo, ossigeno, azoto)

• Composti metallici in tracce

•

Nella raffineria il greggio viene separato in gruppi di idrocarburi mediante la distillazione

• frazionata range

Ogni prodotto distilla in un di temperatura e viene chiamato “frazione” o “taglio”

• I vapori distillati si raccolgono in torri di condensazione

• Gli Idrocarburi

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Isomeria

Si definiscono isomeri composti con identica formula molecolare, ma diversa struttura

• (concatenazione degli atomi) o diversa configurazione o conformazione (disposizione degli

atomi nello spazio)

Gli isomeri hanno quindi stessa formula bruta (stesso peso molecolare), ma diverse

• caratteristiche chimico-fisiche

Nota

La formula molecolare indica quali e quanti atomi sono presenti nella molecola

• La formula di struttura indica in che modo questi atomi sono reciprocamente disposti

•

Isomeria costituzionale e stereoisomeria

Si distinguono isomeria costituzionale e stereoisomeria:

• Nell’isomeria costituzionale gli isomeri differiscono per l’ordine con cui sono legati i loro atomi,

• possono essere isomeri di catena, di posizione o di gruppo funzionale

Nella stereoisomeria gli isomeri hanno la stessa costituzione ma differiscono per la

• disposizione degli atomi nello spazio, si distinguono:

Isomeria conformazionale, se gli isomeri sono convertibili l’uno nell’altro per rotazione

• attorno ad un legame

Isomeria configurazionale, se gli isomeri sono convertibili l’uno nell’altro per rottura e

• ricostruzione di un legame (diasteroisomeri ed enantiomeri) Isomeria

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Gli Alcani

Si tratta di idrocarburi che impiegano solo legami singoli

• C H

La loro formula generale è

• n 2n+2 3

sp

Il carbonio negli alcani ha sempre ibridazione

•

Nomenclatura degli alcani

La nomenclatura d’uso corrisponde alla sistematica per gli alcani lineari, ovvero la formazione

• del nome tramite la radice e la desinenza -ano

Ad esempio:

• CH

Metano:

• 4

C H

Etano:

• 2 6

C H

Propano:

• 3 8

C H

Butano:

• 4 10

La nomenclatura d’uso prevede i prefissi iso- e neo- e nomi di fantasia

• La nomenclatura sistematica è quella IUPAC, la quale ha determinate regole:

• Per i termini a catena lineare è la stessa nomenclatura d’uso

• Per i termini ramificati esistono delle regole:

• Si individua la catena carboniosa più lunga, il nome dell’idrocarburo corrispondente forma

• la radice del nome IUPAC

Si numera la catena in modo che il sostituente abbia il numero più basso

• Si forma il nome nell’ordine: posizione, nome del sostituente (con opportuna elisione di

• vocale), radice del nome

Se lo stesso sostituente compare più volte si impiegano i prefissi moltiplicativi; si numera

• la catena in modo che il sostituente che si incontra per primo abbia il numero più basso

Se sono presenti più sostituenti si elencano in ordine alfabetico (i prefissi moltiplicativi non

• si prendono in considerazione); si numera la catena in modo di attribuire il numero più

basso al sostituente che si incontra per primo

Distribuzione istantanea di densità elettronica

Mediamente nel tempo, la distribuzione di densità elettronica in un alcano è simmetrica senza

• separazione di cariche, ma in ogni istante si ha la probabilità che la densità elettronica sia

polarizzata creando cariche positive e negative temporanee

Gruppi alchilici

Sono ottenibili dagli alcani per sottrazione di un

• atomo di idrogeno Pagina 1 di 8 Gli Alcani

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Isomeria degli alcani

Gli alcani presentano isomeria strutturale

• Si hanno quindi composti che hanno la stessa formula di composizione ma che differiscono per

• la diversa concatenazione degli atomi

Ad esempio, per il metano, l’etano ed il propano si può immaginare un solo composto, tuttavia

• C H

esistono due composti con la formula bruta (n-butano ed isobutano)

4 10

Analisi conformazionale degli alcani

Quando due gruppi uguali o diversi tra loro e privi di simmetria sferica sono uniti da un legame σ

• è possibile la rotazione dei due gruppi l’uno rispetto all’altro senza che la sovrapposizione

orbitalica ne risenta

La rotazione avviene senza soluzione di continuità e questo porta ad infinite conformazioni della

• molecola

Ciascuna di queste conformazioni ha una sua energia

• Quando si parla di conformazioni si fa riferimento alle diverse orientazioni spaziali che una

• molecola assume in conseguenza di una rotazione intorno ad un legame σ

Si definisce analisi conformazionale lo studio della variazione dell’energia della molecola in

• relazione alla rotazione intorno ad un legame

La rappresentazione più razionale delle molecole per eseguire analisi conformazionali consiste

• nell’uso delle proiezioni di Newman

A e B sono atomi legati da un legame intorno al quale si considera la

• rotazione

Dal punto si fanno partire i legami con i sostituenti dell’atomo A

• Dal cerchio si fanno partire i legami con i sostituenti dell’atomo B

• conformazionale dell’etano

• Il caso più semplice è l’analisi

CH

Mantenendo fisso un gruppo e ruotando l’altro si ottengono infinite conformazioni

• 3

Ci sono due conformazioni caratteristiche: la sfalsata (di minima energia) e la eclissata (di

• massima energia)

conformazionale dell’etano

Nell’analisi si considera la

• rotazione lungo il legame 2,3

È un legame tra due atomi di carbonio

• Ciascuno ha come sostituenti due gruppi metilici e due

• atomi di idrogeno Pagina 2 di 8 Gli Alcani

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Cicloalcani

Nomenclatura

La nomenclatura è composta dal nome del ciclo e dai sostituenti

• Se ci sono più sostituenti i carboni dell’anello sono numerati in modo tale da assegnare il

• numero più basso possibile ai carboni con i sostituenti

Quando la porzione aciclica contiene più atomi di carbonio di quella ciclica, o contiene un

• gruppo funzionale, la porzione ciclica diventa sostituente

Tensione torsionale ed angolare

Oltre alla tensione torsionale e alla tensione sterica, le conformazioni dei cicloalcani sono

• caratterizzate anche dalla tensione angolare

La tensione angolare è un aumento di energia che si osserva quando gli angoli di legame si

• discostano dal valore tetraedrico ottimale di 109.5°

La teoria della tensione di Baeyer fu formulata quando si pensava che i cicloalcani fossero piatti;

• in base a questa teoria, gli anelli più grandi dovrebbero essere molto più tensionati perché i loro

angoli di legame risulterebbero molto diversi dall’angolo ottimale di 109.5°

In realtà i cicloalcani con più di tre atomi di carboni nell’anello non sono molecole planari, ma

• sono piegati per ridurre la tensione

Stabilità dei cicloalcani

Sperimentalmente (da misure di entalpia di combustione) si nota che i cicloalcani hanno stabilità

• diverse a seconda delle dimensioni del ciclo: ad esempio il ciclopropano è il meno stabile

mentre il cicloesano è il più stabile Δ

La tensione d’anello ha un’origine ed una valutazione quantitativa, è la differenza tra il per

H°

• CH Δ CH

del cicl