Chimica organica - nozioni generali

CHIMICA ORGANICA (La chimica del carbonio)

La chimica organica è la chimica dei composti del carbonio. Essi sono i “mattoni” con cui sono

costruiti tutti i corpi viventi della terra.

FORMULA BRUTA: è la formula che indica il numero di atomi di ciascuna specie presente nella

molecola. Esempio: C H

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FORMULA DI STRUTTURA: è la formula che fornisce la disposizione degli atomi nello spazio.

Il vastissimo campo dei composti organici è organizzato mediante l’introduzione di classi. Tutti i

composti che appartengono a una certa determinata classe sono caratterizzati dalla presenza di un

gruppo di atomi che si chiama gruppo funzionale il quale rappresenta il centro della reattività

chimica della molecola. IDROCARBURI

il carbonio e l’idrogeno

Composti costituiti da due elementi principali . La loro classificazione

inizia sulla base dei legami che uniscono gli atomi di carbonio tra di loro. Si dividono in saturi ed

insaturi. Gli idrocarburi saturi sono quei composti in cui gli atomi di carbonio sono uniti tra di loro

mediante legami semplici covalenti, mentre quelli insaturi sono quelli in cui sono presenti doppi e

tripli legami.

ALCANI 3

Idrocarburi con legami semplici, struttura tetraedrica, costituiti da atomi di carbonio ibridizzati sp .

Essi sono caratterizzati da formula bruta: C H

n 2n+2

La loro nomenclatura è semplice: il nome è costituito da un prefisso che indica il numero di atomi

di carbonio seguita dalla desinenza –ano

Numero di PREFISSO

atomi C

1 Meta

2 Eta

3 Propa

4 Buta

5 Penta

6 Esa

7 Epta

8 Otta

9 Nona

10 Deca

11 Undeca

12 Dodeca

13 Trideca

14 Tetradeca

Vediamo qualche esempio:

Formula Bruta Formula di Struttura Nome

CH CH Metano

4 4

C H CH -CH Etano

2 6 3 3

C H CH -CH -CH Propano

3 8 3 2 3

C H CH - CH -CH -CH Butano

4 10 3 2 2 3

C H CH -CH -CH -CH -CH Pentano

5 12 3 2 2 2 3

Bisogna ricordarsi che ogni carbonio deve formare sempre 4 legami.

ISOMERI DI STRUTTURA: sono molecole con uguale formula bruta ma diversa formula di

struttura, cioè posizione relativa degli atomi di C. CH CHCH CH CH

CH CHCH CH

CHCH

CH 3 2 2 3

3 2 3

3 3 CH

CH

CH 3

3

3

isobutano isopentano isoesano

Tutti gli isoalcani possiedono un alchile in catena laterale legato al secondo carbonio della catena

normale.

I gruppi che derivano dagli idrocarburi saturi per distacco di un idrogeno sono detti GRUPPI

ALCHILICI ( R ) e la loro desinenza caratteristica è –ile.

Formula di Struttura Nome

CH - Metile

3

CH -CH - Etile

3 2

CH -CH -CH - Propile

3 2 2

CH - CH -CH -CH - Butile

3 2 2 2

E’ possibile ottenere gruppi alchilici diversi a seconda dell’atomo di idrogeno che si stacca.

Esempi sono i gruppi isopropile, isobutile, sec-butile, terz-butile tutti isomeri di struttura.

CH CH CH CH CH CH CH CH CH

3 3 3 2 3 2

CH CH

3 3

gruppo isobutile

gruppo isopropile gruppo sec-butile

CH

3

CH C

3 CH

3

gruppo terz-butile 2

Gli idrocarburi possono essere a CATENA LINEARE o RAMIFICATA. Il gruppo o la catena che

“ pende” prende il nome di SOSTITUENTE.

ESEMPIO: CH CH CH CH CH CH CH CHCH CH CH CH CH

3 2 2 2 3 3 2 2 2 2 2 3

CH

2

CH

3

La nomenclatura degli alcani a catena ramificata obbedisce alle seguenti regole:

1. Il numero di atomi della catena lineare più lunga determina il nome fondamentale

dell’alcano

2. Si numera la catena normale di atomi di carbonio in modo che la numerazione parta

dall’estremità della catena più vicina ad una catena laterale

2 3 4

1 5

5 4

7 6 3 CH CH CH CH CHCH

CH CH CH CHCH

CH 3 2 2 2 3

3 2 2 2 3 CH

CH 6

2 2

2 CH

CH 7

1 3

3 numerazione errata

numerazione giusta

La posizione della catena laterale è individuata dal numero del carbonio della catena

3. normale da cui la catena laterale si ramifica

6 5 4 3 2 1 5 4

7 6 3

CH CH CH CH CHCH CH CH CH CH CH CH

3 2 2 2 3 3 2 2 2 3

CH CH

2

3 2

2-metilesano CH

1 3

3-metileptano

4. Quando sono presenti due o più sostituenti, si individua la loro posizione con il numero

dell’atomo di carbonio a cui sono legati

5. Quando sullo stesso atomo di carbonio sono presenti due sostituenti diversi il numero

corrispondente è riportato due volte

6. Quando due o più sostituenti sono uguali si usa il prefisso di-, tri-, tetra-, e così via

7. I sostituenti di uguale importanza vengono scritti in ordine alfabetico.

CH

3

1 2 3 4 5 6 1 2 3 4 5 6 CH CHCH CHCH CH

CH

CH CHCH CHCH CH CH CH CHCH CH 3 2 2 3

3 2 2 3 3 2 2 2 3 CH CH

CH CH CH 3 3

3 2 2

CH CH

3 3 2,4-dimetilesano

4-etil-2-metilesano 3-etil-3'-metilesano 3

8. Quando si possono individuare due catene normali della stessa lunghezza la catena normale

che porta il maggior numero di sostituenti definisce il nome di base dell’idrocarburo

C H 3

C H 2

C H C H

2 3

7 6 5 3

C H C H C HC HC HC HC H

3 2 3

4 2 1

C H C H

3 3

2,3,5-trimetil-4-propileptano

(quattro sostituenti)

non 2,3-dimetil-4-sec-butileptano

(tre sostituenti)

Alogenoalcani

Molecole in cui un sostituente è un alogeno (F,Cl,Br,I).

Cicloalcani

Gli idrocarburi insaturi possono anche presentarsi in forma ciclica e prendere il nome di cicloalcani.

Questi costituiscono una serie omologa in quanto ciascun membro differisce da quello

presente nella sua molecola. I composti semplici

immediatamente precedente per un gruppo CH

2

hanno la formula bruta C H

n 2n

Ciclopropano Ciclobutano Ciclopentano Cicloesano

3

Per eliminare ogni tensione angolare nel cicloesano i carboni ibridizzati sp si dispongono in una

conformazione non piana di angoli 109,5° eliminando perciò ogni tensione angolare. Tale

sedia :

conformazione viene detta a

In questa conformazione a sedia ci sono due tipi di atomi di idrogeno: sei atomi di idrogeno sono

equatoriale

proiettati verso l’esterno dell’anello (posizione ) mentre sei atomi sono diretti

assiale

verticalmente ed alternativamente orientati verso l’alto o verso il basso (posizione ). In

questo modo sono rese minime le repulsioni di van der Waals tra le nubi elettroniche degli idrogeni

adiacenti. Il 99% delle molecole di cicloesano si trova nella conformazione a sedia che è la

conformazione più stabile. Per un cicloalcano monosostituito (es: il metilcicloesano) si possono

avere due distinte conformazioni a sedia; in una conformazione il metile occupa una posizione

assiale equatoriale

nell’altra occupa una posizione . Le due conformazioni sono interconvertibile

mediante un semplice ribaltamento attraverso la conformazione a twist (che qui non riporteremo).

4

E’ da notare che con il ribaltamento conformazionale avviene lo scambio tra legami assiali ed

equatoriali. CH

3 CH

3

Metilcicloesano Metilcicloesano

La conformazione del cicloesano monosostituito più stabile è quella in cui il sostituente è in

posizione equatoriale.

Quando abbiamo la presenza di un cicloalcano disostituito introduciamo l’esistenza di stereoisomeri

cis-trans cis

. Se i sostituenti si trovano dalla stessa parte si parla di isomero , se sono da parti

trans.

opposte si parla di isomero

stereoisomeri stereoisomeria) si intende molecole che differiscono

Con il termine e quindi (

unicamente per la disposizione degli atomi nello spazio (hanno stessa formula bruta e stesso modo

. isomeri di struttura

di legare gli atomi) Gli invece sono isomeri che differiscono tra loro perchè

gli atomi sono legati in modo differente pur avendo la stessa formula bruta.

CH CH

CH

3 3

3 CH 3

trans-1,3-dimetilciclopentano

cis-1,3-dimetilciclopentano CH 3

CH

H C H C

3

3 3

cis-1,3-dimetilcicloesano trans-1,3-cicloesano

Se consideriamo le conformazioni reali a sedia del cicloesano abbiamo il seguente esempio con il

trans-1,4 dimetilcicloesano. CH

3 H C

3 CH

3

CH

3

ALCHENI 2

sp

Sono degli idrocarburi insaturi caratterizzati da legami doppi con atomi di carbonio ibridizzati .

Essi sono caratterizzati da formula bruta: C H

n 2n.

Formula di Struttura Nome

CH =CH Etene

2 2

CH -CH=CH Propene

3 2

CH -CH -CH=CH 1-Butene

3 2 2

CH -CH -CH -CH=CH 1-Pentene

3 2 2 2 5

La loro nomenclatura è semplice: –ene

1. La desinenza caratteristica degli alcheni è

2. Il nome fondamentale è determinato dalla catena normale più lunga che contiene il doppio

legame

La numerazione avviene a partire dall’estremità della catena più vicina al doppio legame in

3. modo da attribuire a questo il numero più basso.

4. La posizione viene individuata dal numero del primo carbonio della catena principale che

costituisce il doppio legame CH

3

CH CH

CH CHCH CH CH C CHCH CHCH

3 2 2 3 3 2 3

2-esene CH

3

2,5-dimetil-2-esene

La posizione di ogni doppio legame deve essere specificata nel nome.

5. diene o triene

6. Se ci fossero più doppi legami avremmo come desinenza e così via.

7. I gruppi vinilici e allilici sono dei sostituenti e le loro formule sono le seguenti:

H

H H

H C

C

C C H

H CH

2

gruppo vinile gruppo allile

STEREOISOMERIA GEOMETRICA degli ALCHENI

cis trans

L’isomero ha i sostituenti dalla stessa parte, mentre l’isomero ha i sostituenti l’uno

opposto all’altro. H H H F

C C C C

F F F H

Alchene trans

Alchene cis

La stereochimica degli alcheni più sostituiti è difficile da stabilire. La nuova nomenclatura detta E,

la regola della priorità

Z adotta . Se i gruppi a più alta priorità si trovano dalla stessa parte del piano

si ha una struttura E, mentre se si trovano dalla parte opposta si ha una struttura Z.

H CH H Br

3

C C C C

Br CH CH CH

3 3 3

E

Z

La priorità dei gruppi per questa regola di nomenclatura dipende dal numero atomico: maggiore è

quest’ultimo, maggiore sarà la priorità dei gruppi.

Br > Cl > O > N > C > H 6

A priorità di numero atomico, si vede l’atomo successivamente legato: es. il gruppo etile ha priorità

sul metile.

ALCHINI sp.

Sono idrocarburi insaturi caratterizzati da legami tripli con atomi di carbonio ibridizzati Essi

sono caratterizzati da formula bruta: C H .

n 2n-2.

La loro nomenclatura è semplice: il nome è costituito da un prefisso che indica il numero di atomi

–ino

di carbonio della catena più lunga contenente il triplo legame seguita dalla desinenza

Formula di Struttura Nome

≡ Etino o acetilene

CH CH

≡ Propino

CH -C CH

3 ≡ 1-Butino

CH -CH -C CH

3 2 ≡ 1-Pentino

CH -CH -CH -C CH

3 2 2

Per il resto valgono le stesse regole di nomenclatura adottate per gli alcani e gli alcheni.

COMPOSTI AROMATICI

Particolare classe di composti in cui il capostipite è il BENZENE. Nel 1865 Kekulè propose la sua

struttura ciclica esagonale in cui i sei atomi di carbonio costituiscono un anello e sono legati l’uno

all’altro mediante un sistema di legami semplici e doppi che si alternano. π

p liberi di formare legami . Tutti i

In questa struttura gli elettroni sono delocalizzati sugli orbitali

legami carbonio-carbonio hanno la stessa lunghezza che risulta essere intermedia tra quella di un

legame singolo e di uno doppio.

Per la nomenclatura dei derivati benzenici monosostituiti il loro nome è individuato indicando il

benzene,

gruppo sostituente e poi la desinenza nell’altro sistema tutto l’anello benzenico

monosostituito è individuato da un nome specifico. NH COOH

F NO OH

CH 2

2 3

Toluene

Fluorobenzene Nitrobenzene Fenolo Anilina Acido Benzoico 7

Quando l’anello benzenico porta due sostituenti, la loro posizione relativa è precisata mediante i

orto, meta e para.

prefissi X

X

X Y Y Y

Meta Para

Orto

Anche nel caso dei derivati benzenici, vale la regola che i sostituenti devono avere i numeri più

bassi possibile ed essere elencati in ordine alfabetico. fenile (

Il benzene può essere anche un gruppo sostituente. In questo caso è chiamato C H - ).

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Alcuni composti aromatici sono eterociclici cioè hanno nella struttura ciclica atomi differenti dal

carbonio come: S, N, O, ecc. I più comuni sono:

N S

N O

H Tiofene Furano

Piridina Pirrolo

I composti con anelli aromatici occupano una posizione di rilievo nel quadro delle reazioni che

avvengono negli o