Chimica organica - Appunti

Nomenclatura

Il sistema di nomenclatura utilizzato per denominare i composti organici è quello stabilito dalla International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC)

Quanti sono gli atomi di carbonio?

• Radice
• Desinenza
• Prefisso di quale famiglia si tratta?
• Dove si trovano i sostituenti?

Regole IUPAC

Individuare la catena di atomi di carbonio più lunga che contenga la funzione principale e possibilmente il maggior numero di funzioni;

Numerare dall’estremità che permette di assegnare alle funzioni ed ai sostituenti le posizioni più piccole;

Individuare l’alcano ad uguale numero di atomi di carbonio ed assegnare il nome utilizzando la radice che individua l’idrocarburo ed aggiungendo la desinenza relativa alla funzione:

Per esempio: CH₃CH₂CH₂OH

• Catena: 3C
• Alcano: Propano
• OH: Olo
• Nome: Propanolo

Scrivere il nome del composto disponendo prima tutti i sostituenti, in ordine alfabetico, ciascuno preceduto dal numero del carbonio al quale è legato, quindi aggiungere il nome della catena principale;

I composti ciclici fanno precedere il loro nome dal prefisso ciclo.

Ciclo-esano

Nomenclatura alcani

1. Identificare l’idrocarburo da cui derivano

Identificare nella molecola la catena continua di atomi di carbonio più lunga ed utilizzare il nome di quella catena come nome principale;

CH₃CH₂CH₃ esano sostituito

CH₃CH₂CH₂CH₂CH₃ eptano sostituito

CH₃CHCH₂CH₂CH₃ se vi sono due catene della medesima lunghezza, scegliere come principale quella con il maggior numero di punti di ramificazione.

CH₃CH₃CH₂CHCHCH₂CH₂CH₃CH₂CH₂CH₃CH₃CH₂CH₃

Esano mono-sostituito

Esano di-sostituito

2. Attribuire un numero agli atomi della catena principale

Numerare ciascun atomo di carbonio della catena principale, cominciando dall’estremità più vicina al primo punto di ramificazione.

CH₃CH₃CH₆CH₂CH₃CH₃

CH₂CH₃CH₂CH₃CH₃CH₂CH₃CH₃CH₃CHNON

CH₃CH₂CH₂CH₃CH₅CH₂CH₃CH₇CH₃CH₃

3. Identificare ed attribuire un numero ai sostituenti

Assegnare ad ogni sostituente il numero che corrisponde al suo punto di attacco alla catena principale;

CH₃CH₃CH₂CH₂CH₃CH₃CHCH₃CH₂CH₃CH₃CH₂CH₃

Denominato come un nonano, CH₃CH (3-etil)su C₃, CH (4-metil)su C₄ su C, CH (7-metil)su C₇

Se vi sono due sostituenti legati allo stesso atomo di carbonio si dia ad entrambi lo stesso numero: il nome definitivo deve comprendere tanti numeri quanti sono i sostituenti.

4. Scrivere il nome come un’unica parola

Usare trattini per separare i diversi prefissi e virgole per separare i numeri;

Se vi sono due o più sostituenti diversi, elencarli in ordine alfabetico; se vi sono due o più sostituenti uguali usare i prefissi di-, tri-, tetra- e così via tenendo presente che questi prefissi non devono essere considerati nell’ordine alfabetico.

CH₃CHCH₂CH₃CH₃CH₃CH₃CH₃CH₃CH₃CH₃CHNON

3-Metilesano 4-etil-2,4-dimetilesano

5. Dare un nome ad un sostituente complesso

Quando un sostituente della catena principale presenta una sub-ramificazione è necessario dare un nome a tale sostituente complesso prima di definire il nome completo del composto.

Si deve iniziare a numerare i componenti del sostituente complesso a partire dal punto di attacco alla catena principale;

Una volta denominato questo sostituente, il suo nome viene messo tra parentesi e posizionato in ordine alfabetico secondo la sua prima lettera iniziale.

Nomenclatura cicloalcani

1. Trovare la radice del nome

Contare quanti atomi di carbonio formano l’anello e quanti la maggiore catena sostituente. Se gli atomi di C dell’anello sono in numero uguale o maggiore di quelli della catena, il composto si denomina come un cicloalcano alchil-sostituito.

Se gli atomi della catena sono in numero maggiore di quelli dell’anello, il composto viene denominato come un alcano cicloalchil-sostituito.

CH₃CH₂CH₃CH₂CH₃ etilciclopentano 1-ciclopropilbutano

2. Attribuire un numero ai sostituenti e scrivere il nome

In presenza di più sostituenti alchilici la numerazione deve procedere in maniera tale da assegnare a questi la posizione con il numero più basso possibile:

Me Me 11 6226 NON 5335 Me Me 4 41,2-dimetilcicloesano 1,5-dimetilcicloesano

Quando sono presenti due o più gruppi alchilici diversi, che potrebbero in teoria prendere il medesimo numero, si procede in ordine alfabetico:

CH₃CH₂CH₃CH₂CH₃CH₃CHNON

Acidi e basi

Definizione di Arrhenius

In soluzione acquosa un acido è una sostanza che produce ioni idrogeno o protoni mentre una base è una sostanza che produce ioni ossidrilici.

Definizione di Lewis

Un acido è una qualsiasi specie chimica in grado di accettare una coppia di elettroni mentre una base è una sostanza in grado di cedere una coppia di elettroni.

Definizione di Bronsted

Un acido è una qualsiasi specie che dona protoni mentre una base è una qualsiasi sostanza in grado di accettare protoni.

A^- + H₂O → HA + H₂O⁺

K_eq = [A^-][H₃O⁺] / [HA][H₂O]

pK_a = - log K_a

Un acido forte (fortemente dissociato in acqua) presenta un valore elevato della sua K_a e conseguentemente un valore basso del pK_a.

Un acido debole (debolmente dissociato in acqua) presenta un valore piccolo della sua K_a e conseguentemente un valore alto del pK_a.

Reazioni acido-base

Acido coniugato

Base

HA + B → A^- + BH

Base coniugata

Acido

L’equilibrio in una reazione acido-base è sempre spostato verso l’acido e la base più debole.

Questo significa che una reazione acido-base avverrà solamente se un acido donerà un protone alla base coniugata di ogni acido che ha un valore più alto di pK_a.

Per esempio nella reazione:

HCOOH + CH₃O^- → HCOO^- + CH₃OH

L’equilibrio è spostato verso destra (la reazione acido-base avverrà) perché il pK_a del metanolo, di valore 15.5, è maggiore di quello dell’acido formico (pK_a = 3.7).

Se si considera invece la reazione:

NH₂^- + HC≡CH → NH₃ + HC≡C^-

L’equilibrio è spostato verso sinistra (la reazione acido-base non avverrà) perché il pK_a dell’acetilene, di valore 26, è più piccolo di quello dell’ammoniaca (pK_a = 36).

La forza di un acido è strettamente dipendente dalla stabilità della sua base coniugata: tanto più essa è stabile tanto più l’acido è forte.

La stabilità di una base coniugata dipende da quanto è delocalizzata la sua carica negativa: tanto più la carica è delocalizzata sulla molecola tanto più la base coniugata è stabile e quindi il suo acido è forte.

Quali fattori stabilizzano una base coniugata rispetto al proprio acido?

Effetto di risonanza (mesomero o coniugativo)

1. Si ha risonanza quando una molecola può essere rappresentata da due o più strutture, che si differenziano tra di loro soltanto per la distribuzione degli elettroni, ma che hanno la stessa disposizione di atomi. La molecola è un ibrido di tutte queste strutture e non è rappresentata in maniera soddisfacente da nessuna di esse:ognuna di queste strutture contribuisce all’ibrido. L’esempio classico in chimica organica è rappresentato dal benzene.
2. La risonanza è importante quando le strutture che contribuiscono all’ibrido hanno all’incirca la stessa stabilità (cioè hanno un contenuto energetico dello stesso ordine di grandezza). Il contributo di ogni struttura all’ibrido di risonanza dipende dalla stabilità di una struttura rispetto alle altre: la struttura più stabile porta il maggior contributo.
3. L’ibrido di risonanza è più stabile di ognuna delle strutture che ad esso contribuiscono. L’aumento di stabilità si chiama energia di risonanza ed è tanto maggiore quanto più le diverse strutture contribuenti hanno stabilità simili.

Effetto induttivo

In un singolo legame covalente tra atomi diversi la coppia di elettroni che forma il legame σ non è mai condivisa in maniera assolutamente uguale tra i due atomi: essa tende ad essere attratta di più verso l’atomo più elettronegativo fra i due. La maggior parte degli atomi e dei gruppi legati all’atomo di C (F, Cl, Br, I, OCH₃, N⁺, NO₂) esercita su di esso un effetto induttivo elettron-attrattore perché sono più elettronegativi del C.

La più importante eccezione è rappresentata dai gruppi alchilici, che sono elettron-donatori. Gli atomi dei metalli, per esempio nei litio alchili e nei reagenti di Grignard che sono entrambi composti largamente covalenti, sono pure elettron-donatori e conducono ad atomi di C polarizzati negativamente in entrambi i casi.

L’introduzione di un gruppo alchilico al posto dell’atomo di idrogeno non acido dell’acido formico rende il corrispondente acido più debole: l’effetto induttivo elettron-donatore del gruppo alchilico aumenterà l’affinità del gruppo carbossilato verso il protone, riducendo così la forza dell’acido.

L’introduzione di un gruppo ad attrazione elettronica al posto dell’atomo di idrogeno non acido dell’acido formico rende, al contrario, il corrispondente acido più forte: l’effetto induttivo elettron-attrattore, favorendo la delocalizzazione della carica negativa, diminuirà l’affinità.