Chimica organica -appunti

Struttura e legame

La chimica organica è la branca della chimica che studia i composti caratterizzati dalla presenza del carbonio.

Prima di occuparci della reattività organica facciamo un riepilogo su alcuni aspetti fondamentali.

L'atomo è costituito dal nucleo da cui a sua volta sono costituiti:

• particelle contenenti protone e neutrone
• nube elettronica contenente elettroni

A seconda del numero p (numero di protoni ed elettroni in un atomo si possono presentare tre situazioni:

• numero protoni p (numero di massa) e pari al numero di elettroni
• atomo p: numero di protoni inferiore al numero di elettroni
• anione n: numero di protoni uguale al numero di elettroni

In natura il numero di un elemento può essere variato e si definiscono isotopi. Atomi di uno stesso elemento aventi diverso numero di neutroni (es. carbonio 12 e carbonio 13).

Gli atomi che sono descritti nella tavola periodica degli elementi e sono disposti in funzione del numero atomico suddivisi in righe (periodi) e colonne (gruppi).

A noi interessa studiare gli elementi delle prime due righe: esaminiamo studiandone la disposizione degli elettroni.

Gli elettroni si trovano in uno spazio fuori dal nucleo detto orbitale.

Gli elementi delle prime due righe sono caratterizzati da due tipi di orbitali: orbitali s (avente (simmetria sferica) e p (con una forma a due lobi).

Studiamo la configurazione elettronica degli elementi delle prime due righe ricordando che un orbitale può contenere due elettroni.

Duque l’idrogeno (H) ha un solo elettrone che occupara il primo livello dell'orbitale s.

Si ha una configurazione 1s¹.

L'elio (He) ha due elettroni e dunque una configurazione 1s².

Gli elementi delle seconda riga formano un numero di elettroni sicuramente maggiore di due per il primo livello: configurazione ad es. 1s².

Gli elettroni che completano il primo livello si definiscono interni.

Il litio (Li) ha tre elettroni ed una configurazione 1s² 2s¹, il berillio (Be) ha quattro elettroni ad una configurazione 1s² 2s², il boro (B) ha cinque elettroni e una configurazione 1s² 2s² 2p¹.

Ricordiamo lungo una riga aumentato il numero di elettroni e si riempiono sempre più orbitali fino al neon (Ne) che li completa tutti.

Tutti gli elettroni che non sono interni si definiscono di valenza e sono coinvolti nel legame.

Gli atomi compiono legami per raggiungere la stabilità, ovvero:

• l'idrogeno è stabile con una configurazione analoga a quella dell'elio.
• gli elementi dello secondo rigo sono stabili con una configurazione analoga a quella del neon, ovvero con otto elettroni di valenza (regola dell'ottetto).

Esistono due tipologie di legame:

1. Il legame ionico: scambio di elettroni tra gli atomi (es. NaCl).
2. Il legame covalente: condivisione degli elettroni.

Quanti legami covalenti possono compiere gli atomi?

Un legame covalente è formato da due elettroni, gli elementi della seconda riga avendo 1, 2, 3, 4 elettroni di valenza compiono un numero di legami covalenti della seconda riga non più di tre elettroni di valenza compiono un numero di legami pari ad otto meno il numero di elettroni di valenza.

Dal punto di vista grafico le molecole possono essere rappresentate tramite le strutture di Lewis.

Rappresentazione di Lewis:

• vengono disegnati solo gli elettroni di valenza
• è necessario associare ad ogni idrogeno due elettroni
• è necessario associare ad ogni elemento della seconda riga un massimo di otto elettroni
• i legami covalenti si rappresentano con una linea continua

Di seguito alcuni esempi:

H

H-C-H

H-C-O-H

metano

etano

Importante è anche la carica formale di un atomo che risulta come differenza tra il numero de elettroni di valenza e il numero di elettroni che l'atomo possiede e somma del numero di elettroni non condivisi e della metà del numero di elettroni condivisi.

Ad esempio:

HC=O

La carica formale è 4-(0+2) = 0

La carica formale di una molecola è la somma delle cariche dei vari atomi.

Importanti sono anche gli isomeri: le strutture di risonanza.

Gli isomeri sono molecole diverse avente una stessa formula molecolare ed una stessa formula bruta ma possono corrispondere a disposizioni degli atomi

Ad esempio:

CH3OCH3 H-C-O-C-H

etanoico acido carboxilico

Tabucchia invece una molecola non può essere rappresentata da una sola struttura di Lewis.

Consideriamo ad esempio HNO₃

Acidi e basi

I concetti di acido e basico possono essere definiti sulla base di due teorie: Brönsted-Lowry e Lewis. Nel caso di Brönsted-Lowry un acido è definito come un donatore di protoni, una base come un accettore di protoni immaginando un equilibrio in fase acquosa con specie ioniche.

In questa posizione comprendiamo quindi come un acido offra un protone alla base dopo dunque di un coppia con formazione di legami “i”. Si indicheremo con H-A un generico acido e con: B una generica base allora una generica reazione acido-base produrrà la rottura del legame H-A. La creazione del legame H, X

H-A + B → A^- + H-B⁺

Si forma una base coniugata dell’acido (A^-) e un acido coniugato della base (H-B⁺).

É importante osservare:

• gra il lato della reazione ha una stessa carica netta
• che la doppia freccia di reazione ci porta a chiederci quale sia la direzione preferenziale della reazione.

Per rispondere ci ritorna introdursi la concetta di forzo acido ovvero la tendenza di un acido a cedere protoni.

Il acado viene, misurato attraverso una costante di equilibrio K_a, dissociando l’acido A-H in acqua e in solventi polari. La caratteristica di una costante di equilibrio simile e ponte e più la reazione è spostata verso i prodotti e più è elevata il valore di K_a che gli acidi organici ¹⁰⁻⁵ K_a ≈ 10

In generale tuttavia si utilizzà K_p = -log K_a. Minore il valore di pK_a e più forte è l’acido. In questo riguarda successivamente il concetto che ha quindi una relazione inverso. Un acido forte dà origine a una base coniugata debole una base forte dà origine ed un acido coniugato debole.

Ciò permette di rispondere al quesito precedentemente la direzione preferenziale è quella che porta alla formazione di un acido o di una base più decoli.

La forza acido è influenzata da quattro fattori:

• effetti dell’anioni X^-: acacistiche oltre movendo su lungo una nepa è lungo un gruppo.
• effetti induttivi: le presenza in H-X giuspo elettronegetivi favorece la stability delle base coniugate e dunque l’acidezia dell’acido.
• delocalizzazione: se la carica della base coniugate è stabilizata in risonanza effetti di idratazione: il caccoo delle percentuale la costante si aumenta l’acidità.
• la regola generale si dice infatti che più è stabite la base coniugata e più infertili l’acido.

Per quanto riguarda la teorica di Lewis, un acido definito come un accettore di una coppia e mentre una base come un donatore di una coppia di elettroni.

1. Si conta il numero di atomi che costituiscono l'anello aggiungendo il prefisso “ciclo” al prefisso.

1,2 e si in un ciclo aliclico non si utilizza nel meccanismo definiremo la posizione, e si presenta

in due numeri di avanzamento di un sostituente nei preselet in questi l’automatico un modo di assegurare il secondo sostituente il numero più basso.

Quando la numerazione la stessa ss segue l’ordine alfabetico.

Nel caso epico: 1-etil, 3-metilcicloesano.

Nel caso particolare in cui un alcano

composto sia da un anello che da una lunga catena vale la seguente

regola: il numero di atomi nell’anello è maggiore o uguale a quello della catena allora il composto nominato come cicloalcano. Influenza della coniezione e la struttura degli alconi derivano dall’angolo dell’atano (CH₃-CH₃).

Come visto il etano è costituito da un legame σ C-C atomi al quale puo

rompere le rotazioni assumendo diverse conformazioni. Le conformazioni sono

appuntament diversa di atomi che intercambiano per rotazione attorno a un legame singolo.

Si possono avere due possibili conformazioni:

• conformazione eclissata: i legami C-H di un carbonio sono allineati ai legami C-H sul carbonio adiacente
• conformazione sfalsata: i legami C-H di un carbonio bisecano.

Angolo di legame H-C-H del carbonio sufficienti.

Tale conformazione può facilmente rappresentata tramite le proiezioni di Newman come mostrato in figura a finco.

L’angolo fra due atomi viene detto angolo di dascio nella

conformazione eclissata è pari 0°, in quello sfalsata è 60° per il etano.

Ovviamente conformazioni diverse avranno un energia diversa e dunque una diversa.

Stabilità: le conformazioni sfalsata sono più stabili (hanno minor energia). L’angolo eclissato allineato aumentati e l’energia della conformazione eclissata superato le conformazioni sfalsata.

Ove la conformazione eclissata e sfalsata si ha una differenza energetica di 3Kcal/mol.

Tale differenza prende il nome di energia torsionale.

Conformazione del nuovo canoro né sfalsate né eclissate energia intermedia.

Detto relativamente all’alcano analizziano ora la conformazione del butano (CH₃CH₂CH₂CH₃).