Chimica organica

L'isomeria geometrica

L'isomeria geometrica è tipica dei composti che presentano dei doppilegami carbonio-carbonio, e quindi atomi di carbonio con ibridazione sp², caratterizzata da geometria planare: i sei atomi del gruppo C=C, due dicarbonio e i quattro a essi legati, si trovano sullo stesso piano. Le loro posizioni sono bloccate perché la presenza del legame π impedisce la rotazione degli atomi di carbonio intorno al doppio legame. Se a ciascuno dei due atomi C sono legati due atomi o due gruppi diversi, a seconda della loro disposizione rispetto al doppio legame si possono avere differenti strutture molecolari. Gli isomeri in cui gli atomi si trovano dallo stesso lato della molecola, cioè dalla stessa parte rispetto al doppio legame, sono chiamati Z o CIS (dal tedesco "zusammen"), quelli in cui gli atomi si trovano uno da una parte e uno dall'altra del doppio legame sono chiamati E o TRANS (dal tedesco "entgegen", opposti). È un fenomeno che riguarda molti composti ciclici, dove la

struttura chiusa determina una geometria vincolata, con due facce, una superiore e una inferiore

Gli isomeri geometrici hanno una diversa polarità, poiché per la maggiore simmetria della sua molecola la forma trans (E) è meno polare di quella cis (Z), se non del tutto apolare + hanno differenti proprietà fisiche: punti di fusione e di ebollizione sono più alti per gli isomeri trans (E) rispetto a quelli cis (Z).

l'isomeria geometrica richiede due condizioni per verificarsi:

• NON deve esserci rotazione attorno al doppio legame tra due atomi di carbonio;
• ciascuno dei due atomi di carbonio del doppio legame deve essere legato a due gruppi diversi.

I conformeri o isomeri conformazionali sono isomeri che differiscono per l'orientazione reciproca degli atomi o dei gruppi chimici + possono passare da una forma all'altra senza rompere alcun legame chimico. Perché questo avvenga è necessaria la presenza di atomi di carbonio saturi.

Cioè uniti da un legame singolo C-C. A differenza dell'isomeria geometrica, in cui il passaggio da un isomero all'altro richiede rottura + riformazione di legami chimici, in questo caso il passaggio si verifica per rotazione attorno al legame semplice C - C -- che implica il superamento di barriere di energia potenziale piccole (= facilità di interconversione, quasi mai possibile separarli)

L'enantiomeria o isomeria ottica è tipica dei composti saturi a ibridazione sp³ in cui il carbonio presenta legami con quattro diversi atomi o gruppi. Si ha quando un isomero è identico alla sua immagine speculare. Questa particolarità è dovuta all'assenza di piani di simmetria interni alla molecola. Tutti gli oggetti che mancano di un piano di simmetria vengono chiamati chirali ovvero distinguibili dalla loro immagine speculare. (Sono invece achirali gli oggetti che presentano un piano di simmetria interno e risultano dunque essere)

Sovrapponibili alla loro immagine speculare tramite traslazioni e rotazioni.

Quando un atomo di carbonio lega a sé, secondo una geometria tetraedrica, quattro atomi (o gruppi atomici) diversi, si dice che l'atomo di carbonio è un centro stereogenico o stereocentro.

Coppie di molecole con queste caratteristiche sono isomeri ottici o enantiomeri. Essi hanno proprietà achirali fisiche e chimiche identiche: punto di fusione, punto di ebollizione, densità, solubilità e reattività con reagenti chirali. Per questo motivo è difficile separarli.

Gli enantiomeri sono stereoisomeri che risultano l'uno l'immagine speculare dell'altro e hanno opposta capacità ottica.

Le proprietà fisiche dei composti organici - stato fisico - sono legate al tipo ed alla forza dei legami intermolecolari che si stabiliscono tra le sue particelle. Poiché le interazioni sono dovute alla presenza di cariche, intere.

(ioni) o parziali (dipoli), quantopiù le molecole sono polari, tanto più le interazioni sono forti. Nei composti organici i legami sono in genere debolmente polari e questo comporta l'instaurarsi di interazioni deboli tra le molecole, del tipo dipolo - dipolo. I passaggi di stato avvengono senza grande dispendio di energia, quindi a basse temperature (punti di fusione e di ebollizione dei composti organici sono bassi!!). Possono aumentare con l'allungamento della catena carboniosa e il corrispondente incremento del numero delle interazioni, l'incremento della massa molecolare e in funzione del livello di saturazione degli atomi di carbonio della catena, che influenza la disposizione spaziale delle molecole e conseguentemente la loro possibilità di avvicinarsi le une alle altre, compattandosi più strettamente. La solubilità in acqua è determinata dalla polarità della struttura. La presenza di gruppi ionizzati e di gruppi in grado di formareC=C rende la molecola insatura e quindi più reattiva. I legami doppi e tripli sono meno stabili dei legami singoli e possono essere facilmente rotti per formare nuovi legami con altre molecole. • La presenza di gruppi funzionali: i gruppi funzionali sono gruppi di atomi che conferiscono alle molecole proprietà chimiche specifiche. Ad esempio, il gruppo -OH presente negli alcoli conferisce loro proprietà di solubilità in acqua e reattività con acidi e basi. Allo stesso modo, il gruppo -COOH presente negli acidi carbossilici conferisce loro proprietà acide. • La presenza di sostituenti: i sostituenti sono gruppi di atomi che si legano al carbonio principale della molecola. Possono influenzare la reattività della molecola in vari modi, ad esempio aumentando o diminuendo la sua polarità o la sua stabilità. • La temperatura e la pressione: la reattività delle molecole organiche può essere influenzata anche da fattori esterni come la temperatura e la pressione. Ad esempio, l'aumento della temperatura può aumentare la velocità delle reazioni chimiche, mentre l'aumento della pressione può favorire la formazione di nuovi legami. In conclusione, la reattività delle molecole organiche dipende da una serie di fattori, tra cui il grado di insaturazione del carbonio, la presenza di gruppi funzionali e sostituenti, e le condizioni ambientali come temperatura e pressione.

≡ C, rende la molecola via via più reattiva passando da legami singoli a doppi e da doppi a tripli. In generale si ha una tendenza dei legami tripli a diventare doppi e di quelli doppi a saturarsi, cioè a diventare legami singoli, per semplice addizione di altri atomi.

La polarità dei legami: legami covalenti puri o quelli polari con bassa differenza di elettronegatività, come i legami C-C e C-H, garantiscono una distribuzione uniforme degli elettroni, con assenza di cariche parziali, e quindi una maggiore stabilità complessiva. Il composto risulterà poco reattivo. L'inserimento nella struttura di atomi, o gruppi di atomi che alterano la distribuzione elettronica a causa della loro più elevata elettronegatività, cambia la stabilità dei legami, indebolendoli. Un elettrofilo è un atomo o ione che presenta una parziale o totale carica elettrica positiva = è in grado di accettare doppietti elettronici.

nucleofilo è un qualsiasi atomo o ione che presenti parziale o totale carica negativa = è in grado di attrarre cariche positive, mettendo a disposizione doppietti elettronici non condivisi.

Per affinità tra cariche opposte, un atomo o un gruppo di atomi elettrofilo tende reagire con un nucleofilo e viceversa, perché ciò comporta la neutralizzazione delle cariche parziali opposte. Una sostanza elettrofila reagisce con molecole che presentano un eccesso di elettroni (anioni, basi di Lewis, sostanze riducenti). Al contrario un nucleofilo, presentando un atomo con carica negativa, reagisce con cationi, acidi di Lewis, sostanze ossidanti.

tipo attrattivo L'effetto induttivo lungo una catena carboniosa: di = tipo repulsivo esercitato da un atomo più elettronegativo del carbonio / di = atomo meno elettronegativo del carbonio. La presenza di cariche parziali dovute alla polarità di legame e all'effetto induttivo influenza la reattività dei composti.

perché crea aree ad alta o a bassa densità di elettroni.

Reazioni chimiche

Le principali reazioni che si possono incontrare nel mondo organico si verificano attraverso due processi (omolitico ed eterolitico) che coinvolgono meccanismi diversi di rottura e formazione di legami. Si parla di rottura omolitica quando ciascun atomo riprende il proprio elettrone di legame in precedenza condiviso. Si formano due radicali liberi; nei quali non c'è un sbilanciamento di carica dovuto a un acquisto o a una cessione di elettroni, ma solo la rottura di un legame che lascia gli elettroni ognuno al proprio atomo. Non vi è produzione di ioni. Si chiama radicale (o sostituente) una qualsiasi specie chimica, generalmente neutra, costituita da un singolo atomo o da un gruppo di atomi, che presenti un elettrone spaiato. Un radicale libero è fortemente reattivo: l'instabilità dovuta all'elettrone spaiato lo porta a formare un legame con qualsiasi altro

substrato chimico (altro radicale omolecola), oppure a sottrarre un elettrone ad altre molecole vicine perripristinare il legame covalente. La rottura omolitica è tipicamente associata alegami covalenti omopolari, dove la bassa differenza di elettronegatività tra idue atomi in gioco permette una rottura 'equa' del legame, senza chenessuno dei due atomi prevalga sull'altro e si appropri degli elettroni dilegame. Poiché la rottura omolitica di un legame prevede la formazione di unradicale, è ovvio aspettarsi che avvenga con maggiore o minore facilità aseconda dalla stabilità del radicale stesso. La stabilità crescente dei radicalidel carbonio viene indicata dando loro il nome di radicali primari, secondari eterziari: in base al numero di atomi di carbonio legati al carbonio conl'elettrone spaiato. La presenza di un maggior numero di atomi di carbonio,rende il radicale più stabile.

rottura eteroliticaLa avviene

a carico dei legami covalenti polari: la differenza di elettronegatività tra i due atomi, permette che l'elemento più elettronegativo tra i due si appropri del doppietto di legame, diventando un anione. Quindi il doppietto di legame in precedenza condiviso tra due atomi viene trattenuto dall'atomo più elettronegativo, con formazione di un anione e di un catione. [Nel caso dei composti organici è frequente che la carica positiva o negativa sia collocata su un atomo di carbonio, tale per cui si parla di carboanioni e carbocationi]. Nelle reazioni di ossidoriduzione vi è un passaggio di elettroni tra atomi diversi, e la conseguente variazione dei loro numeri di ossidazione. La ossidazione si presenta ogni volta in cui un atomo di carbonio si lega ad un atomo di ossigeno o aumenta il numero di legami che forma con esso, o diminuisce il numero di idrogeni. Al contrario, ogni volta che il